作者 | 李秋键

编辑 | Carol

题图 | 视觉中国

出品| CSDN（ID：CSDNnews）

验证码使我们生活中最为常见的防治爬虫和机器人登录攻击的手段，一般的验证码主要由数字和字母组成，故我们可以设想：我们是否可以根据文本识别训练模型进行识别验证码呢？当然可以，今天我们就将利用KNN实现验证码的识别。

关于KNN基本常识如下：

KNN算法我们主要要考虑三个重要的要素，对于固定的训练集，只要这三点确定了，算法的预测方式也就决定了。这三个最终的要素是k值的选取，距离度量的方式和分类决策规则。

对于k值的选择，没有一个固定的经验，一般根据样本的分布，选择一个较小的值，可以通过交叉验证选择一个合适的k值。

选择较小的k值，就相当于用较小的领域中的训练实例进行预测，训练误差会减小，只有与输入实例较近或相似的训练实例才会对预测结果起作用，与此同时带来的问题是泛化误差会增大，换句话说，K值的减小就意味着整体模型变得复杂，容易发生过拟合；

选择较大的k值，就相当于用较大领域中的训练实例进行预测，其优点是可以减少泛化误差，但缺点是训练误差会增大。这时候，与输入实例较远（不相似的）训练实例也会对预测器作用，使预测发生错误，且K值的增大就意味着整体的模型变得简单。

一个极端是k等于样本数m，则完全没有分类，此时无论输入实例是什么，都只是简单的预测它属于在训练实例中最多的类，模型过于简单。

效果图如下：

实验前的准备

首先我们使用的python版本是3.6.5所用到的库有cv2库用来图像处理；

Numpy库用来矩阵运算；

训练的数据集如下所示：

训练模型的搭建

1、获取切割字符轮廓：

我们定义ws和valid_contours数组，用来存放图片宽度和训练数据集中的图片。如果分割错误的话需要重新分割。主要根据字符数量判断是否切割错误，如果切割出有4个字符。说明没啥问题：

代码如下：

#定义函数get_rect_box，目的在于获得切割图片字符位置和宽度
def get_rect_box(contours):print("获取字符轮廓。。。")#定义ws和valid_contours数组，用来存放图片宽度和训练数据集中的图片。如果分割错误的话需要重新分割ws = []valid_contours = []for contour in contours:#画矩形用来框住单个字符，x,y,w,h四个参数分别是该框子的x,y坐标和长宽。因x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)if w < 7:continuevalid_contours.append(contour)ws.append(w)
#w_min是二值化白色区域最小宽度，目的用来分割。w_min = min(ws)
# w_max是最大宽度w_max = max(ws)result = []#如果切割出有4个字符。说明没啥问题if len(valid_contours) == 4:for contour in valid_contours:x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)box = np.int0([[x,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x,y+h]])result.append(box)# 如果切割出有3个字符。参照文章，中间分割elif len(valid_contours) == 3:for contour in valid_contours:x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)if w == w_max:box_left = np.int0([[x,y], [x+w/2,y], [x+w/2,y+h], [x,y+h]])box_right = np.int0([[x+w/2,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x+w/2,y+h]])result.append(box_left)result.append(box_right)else:box = np.int0([[x,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x,y+h]])result.append(box)# 如果切割出有3个字符。参照文章，将包含了3个字符的轮廓在水平方向上三等分elif len(valid_contours) == 2:for contour in valid_contours:x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)if w == w_max and w_max >= w_min * 2:box_left = np.int0([[x,y], [x+w/3,y], [x+w/3,y+h], [x,y+h]])box_mid = np.int0([[x+w/3,y], [x+w*2/3,y], [x+w*2/3,y+h], [x+w/3,y+h]])box_right = np.int0([[x+w*2/3,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x+w*2/3,y+h]])result.append(box_left)result.append(box_mid)result.append(box_right)elif w_max < w_min * 2:box_left = np.int0([[x,y], [x+w/2,y], [x+w/2,y+h], [x,y+h]])box_right = np.int0([[x+w/2,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x+w/2,y+h]])result.append(box_left)result.append(box_right)else:box = np.int0([[x,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x,y+h]])result.append(box)# 如果切割出有3个字符。参照文章，对轮廓在水平方向上做4等分elif len(valid_contours) == 1:contour = valid_contours[0]x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)box0 = np.int0([[x,y], [x+w/4,y], [x+w/4,y+h], [x,y+h]])box1 = np.int0([[x+w/4,y], [x+w*2/4,y], [x+w*2/4,y+h], [x+w/4,y+h]])box2 = np.int0([[x+w*2/4,y], [x+w*3/4,y], [x+w*3/4,y+h], [x+w*2/4,y+h]])box3 = np.int0([[x+w*3/4,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x+w*3/4,y+h]])result.extend([box0, box1, box2, box3])elif len(valid_contours) > 4:for contour in valid_contours:x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)box = np.int0([[x,y], [x+w,y], [x+w,y+h], [x,y+h]])result.append(box)result = sorted(result, key=lambda x: x[0][0])return result

2、数据集图像处理：

在读取数据集后，我们需要对图片数据集进行二值化和降噪处理，以获得更为合适的训练数据。

其中代码如下：

def process_im(im):rows, cols, ch = im.shape#转为灰度图im_gray = cv2.cvtColor(im, cv2.COLOR_BGR2GRAY)#二值化，就是黑白图。字符变成白色的，背景为黑色ret, im_inv = cv2.threshold(im_gray,127,255,cv2.THRESH_BINARY_INV)#应用高斯模糊对图片进行降噪。高斯模糊的本质是用高斯核和图像做卷积。就是去除一些斑斑点点的。因为二值化难免不够完美，去燥使得二值化结果更好kernel = 1/16*np.array([[1,2,1], [2,4,2], [1,2,1]])im_blur = cv2.filter2D(im_inv,-1,kernel)#再进行一次二值化。ret, im_res = cv2.threshold(im_blur,127,255,cv2.THRESH_BINARY)return im_res

3、切割字符：

在得到字符位置后，我们对图片进行切割和保存

部分代码如下：

#借助第一个函数获得待切割位置和长宽后就可以切割了
def split_code(filepath):#获取图片名filename = filepath.split("/")[-1]#图片名即为标签filename_ts = filename.split(".")[0]im = cv2.imread(filepath)im_res = process_im(im)im2, contours, hierarchy = cv2.findContours(im_res, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
#这里就是用的第一个函数，获得待切割位置和长宽boxes = get_rect_box(contours)
#如果没有区分出四个字符，就不切割这个图片if len(boxes) != 4:print(filepath)
# 如果区分出了四个字符，说明切割正确，就可以切割这个图片。将切割后的图片保存在char文件夹下for box in boxes:cv2.drawContours(im, [box], 0, (0,0,255),2)roi = im_res[box[0][1]:box[3][1], box[0][0]:box[1][0]]roistd = cv2.resize(roi, (30, 30))timestamp = int(time.time() * 1e6)filename = "{}.jpg".format(timestamp)filepath = os.path.join("char", filename)cv2.imwrite(filepath, roistd)#cv2.imshow("image", im)#cv2.waitKey(0)#cv2.destroyAllWindows()
# split all captacha codes in training set
#调用上面的split_code进行切割即可。
def split_all():files = os.listdir(TRAIN_DIR)for filename in files:filename_ts = filename.split(".")[0]patt = "label/{}_*".format(filename_ts)saved_chars = glob.glob(patt)if len(saved_chars) == 4:print("{} done".format(filepath))continuefilepath = os.path.join(TRAIN_DIR, filename)split_code(filepath)

4、标注字符：

通过已经标注好的数据集字符读取标签，然后存储标签，以方便和图片达到对应。字符数据集如下：

代码如下：

#用来标注单个字符图片，在label文件夹下，很明显可以看到_后面的就是标签。比如图片里是数字6，_后面就是6def label_data():files = os.listdir("char")for filename in files:filename_ts = filename.split(".")[0]patt = "label/{}_*".format(filename_ts)saved_num = len(glob.glob(patt))if saved_num == 1:print("{} done".format(patt))continuefilepath = os.path.join("char", filename)im = cv2.imread(filepath)cv2.imshow("image", im)key = cv2.waitKey(0)if key == 27:sys.exit()if key == 13:continuechar = chr(key)filename_ts = filename.split(".")[0]outfile = "{}_{}.jpg".format(filename_ts, char)outpath = os.path.join("label", outfile)cv2.imwrite(outpath, im)#和标注字符图反过来，我们需要让电脑知道这个字符叫啥名字，即让电脑知道_后面的就是他字符的名字def analyze_label():print("识别数据标签中。。。")files = os.listdir("label")label_count = {}for filename in files:label = filename.split(".")[0].split("_")[1]label_count.setdefault(label, 0)label_count[label] += 1print(label_count)

5、KNN模型训练：

KNN算法我们直接使用OpenCV自带的KNN函数即可。通过读取数据集和标签，加载模型训练即可。代码如下：

#训练模型，用的是k相邻算法def get_code(im):#将读取图片和标签print("读取数据集和标签中。。。。")[samples, label_ids, id_label_map] = load_data()#k相邻算法print("初始化中...")model = cv2.ml.KNearest_create()#开始训练print("训练模型中，请等待！")model.train(samples, cv2.ml.ROW_SAMPLE, label_ids)#处理图片。即二值化和降噪im_res = process_im(im)#提取轮廓im2, contours, hierarchy = cv2.findContours(im_res, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)#获取各切割区域位置和长宽boxes = get_rect_box(contours)#判断有没有识别出4个字符，如果没有识别出来，就不往下运行，直接结束了if len(boxes) != 4:print("cannot get code")result = []#如果正确分割出了4个字符，下面调用训练好的模型进行识别。for box in boxes:#获取字符长宽roi = im_res[box[0][1]:box[3][1], box[0][0]:box[1][0]]#重新设长宽。roistd = cv2.resize(roi, (30, 30))#将图片转成像素矩阵sample = roistd.reshape((1, 900)).astype(np.float32)#调用训练好的模型识别ret, results, neighbours, distances = model.findNearest(sample, k = 3)#获取对应标签idlabel_id = int(results[0,0])#根据id得到识别出的结果label = id_label_map[label_id]#存放识别结果result.append(label)return result

模型调用

if __name__ == "__main__":file=os.listdir("test")filepath="test/"+file[4]im = cv2.imread(filepath)preds = get_code(im)preds="识别结果为："+preds[0]+preds[1]+preds[2]+preds[3]print(preds)canny0 = imimg_PIL = Image.fromarray(cv2.cvtColor(canny0, cv2.COLOR_BGR2RGB))myfont = ImageFont.truetype(r'simfang.ttf', 18)draw = ImageDraw.Draw(img_PIL)draw.text((20, 5), str(preds), font=myfont, fill=(255, 23, 140))img_OpenCV = cv2.cvtColor(np.asarray(img_PIL), cv2.COLOR_RGB2BGR)cv2.imshow("frame", img_OpenCV)key = cv2.waitKey(0)print(filepath)

到这里，我们整体的程序就搭建完成，下面为我们程序的运行结果：

源码地址：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Ir5QNjUZaeTW26T8Gb3txQ

提取码：9eqa

作者简介：

李秋键，CSDN博客专家，CSDN达人课作者。硕士在读于中国矿业大学，开发有taptap竞赛获奖等等。

【END】

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