基于卷積神經網絡的驗證碼識別

張蘇沛 ，劉 軍*，肖澳文 ，杜 壯

1.智能機器人湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205；

2.武漢工程大學計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430205

驗證碼是一種區別用戶是人或計算機的自動化測試方法，目前廣泛應用于互聯網，可以有效避免自動化程序濫用網站服務。驗證碼通常由字母和數字組成，為防止被機器自動識別，其分辨率通常較低，圖片噪聲較大。字符被一定程度地扭曲或傾斜，字符間往往存在粘連，“用戶”需要識別并鍵入正確的字符。人眼對驗證碼的識別率可以達到80%以上，但自動化程序識別準確度往往低于0.01%。這對于防止金融欺詐、電商刷單、惡意注冊等批量化行為具有較好的效果［1-2］。

近年來，研究學者提出使用自動化方法識別驗證碼，如支持向量機（support vector machine，SVM）和旋轉粗匹配算法［3-4］。上述方法一般有如下流程：圖像預處理、二值化、去除離散噪聲、字符分割、歸一化、特征提取、訓練和字符識別等［5］。這些方法模塊之間相互獨立，流程較為復雜，一旦某個模塊出現故障，會直接影響最后的識別準確度。字符分割再識別的方法只針對復雜度較低、噪聲較小的驗證碼圖片，某些場景下字符相互堆疊，影響分割難度，并直接降低識別準確率。

受人類大腦處理信息方式的啟發，有學者提出神經網絡的方法。神經網絡具有多層隱藏層結構，經過大量的訓練，可以模擬人類的學習過程，實現機器智能化［6］。1998 年，Le［7-8］首次提出卷積神經網絡（convolutional neural network，CNN），該神經網絡是一種前饋神經網絡，與傳統BP神經網絡相比，層與層之間的神經元屬與部分連接，而非全部連接。限于當時的計算機硬件條件，卷積神經網絡未能廣泛流行，而開銷較少，效果較好的SVM［9］成為主要研究方法。21世紀初，計算機與互聯網的快速發展使卷積神經網絡的計算開銷成為可能。基于LeCun提出的5層神經網絡LeNet-5，陸續有研究者提出更深層的神經網絡［10］，并在各類圖像識別比賽（如Kaggle）上取得優秀的成績。近幾年，類似ResNet等神經網絡甚至實現了比人類識別更好的準確度［11-12］。

卷積神經網絡最大的特點是將圖片做為整體進行特征識別，省略了傳統方法中圖片預處理的過程。它包含了多層隱藏層結構，由底向上逐層學習更高層次的語義特征。目前，已有研究人員將卷積神經網絡用于光學字符和大小寫英文字符識別［13］，并取得較高的識別效率。

基于上述分析，本文提出了基于LeNet-5的具有卷積結構的神經網絡，針對驗證碼的特征進行學習和識別，能夠有效避免人工設計梯度特征的缺陷。在縮短識別流程的基礎上，一定程度上提高了驗證碼識別的準確度。整個系統可由如下步驟實現：1）利用標準第三方庫生成驗證碼圖片；2）利用大量驗證碼圖片訓練卷積神經網絡，同時設置對照實驗；3）利用訓練完成的網絡進行測試和識別。

1 卷積神經網絡結構與設計

卷積神經網絡是一種具有多層結構的前饋神經網絡，通常應用于圖像分析領域。對于一幅二維圖像，不需要人工設計和手動提取特征，可以通過卷積層和池化層自動完成。與人類大腦的學習方法類似，神經網絡可以通過提取出圖像的具體特征來對圖像進行判斷。卷積層和池化層最大的便利性在于圖像特征的大小及出現的位置，均不影響最終的提取。

1.1 卷積層

卷積層的工作方式可以理解為一個矩陣（也稱為卷積核，大小通常為3×3，5×5）依次在圖像上滑動并與對應位置的像素值做運算的過程，其最大特點是稀疏連接和權值共享［14］。稀疏連接是指每一層之間的神經元節點相互且非全連接，這是它與傳統BP神經網絡最大的區別，這一特點極大地降低了計算的復雜度并減少了權值的數量。權值共享是指卷積濾波器在對圖像進行卷積操作得到特征圖（feature map）之后，每一個濾波器共享同樣的參數，包括相同的權重矩陣和偏置項。

1.2 池化層

卷積神經網絡中，池化層往往緊隨卷積層出現。輸入圖像經過卷積層得到特征圖像之后，池化層可以進一步地提取圖像特征。池化操作一般有3種：最大池化（max pooling）、平均池化（average pooling）以及隨機池化（stochastic pooling）。最大池化指在鄰域特征點內取最大值，這是最常用的池化操作也是本文選取的操作。池化層的存在可以有效降低特征圖像的維度，降低復雜度，減少計算量，避免訓練過程中的過擬合現象，保證平移不變性，提高模型的泛化性。

1.3 激活函數

激活函數在卷積神經網絡中最大的作用是引入非線性因素［15］，避免線性函數的局限性。常用的激活函數有3種：Sigmoid、Tanh以及ReLU。經研究指出［16］，與Sigmoid和Tanh相比，ReLU不僅計算速度較快，避免了訓練過程中過擬合的問題，而且可以更有效地實現深層的神經網絡，防止梯度彌散。因此本文選用ReLU作為神經網絡中的激活函數。

ReLU函數表達式為：

其函數圖像如圖1所示。

圖1 ReLU函數圖像Fig.1 Image of ReLU function

1.4 網絡設計

在Le-Net 5的基礎上，設計了7層的網絡結構。除輸入層以外，卷積層與池化層各有2層，前后交替排列，最后有2層全連接層。卷積層可以獲取圖像特征，池化層可以減少計算復雜度，避免過擬合；全連接層綜合所有特征，輸出不同類別的概率。另外激活函數ReLU引入的非線性因素，可以進一步增強網絡的表達能力。本文卷積層中卷積核均為 3×3，步長（strides）均為 1；池化層核均為2×2。步長均為2。卷積層和池化層填充方式（padding）為“0”填充。網絡中每一層的參數以及輸出如下：

輸入層，驗證碼圖像經過灰度轉換，大小為60像素×160像素。

C1層，32個卷積核對圖像進行卷積操作，得到32張60×160的特征圖，共有（3×3+1）×32=320個訓練參數。

S2層，對C1層得到的特征圖進行最大池化操作，得到32張30×80的特征圖，共有（1+1）×32=64個訓練參數。

C3層，64個卷積核對S2得到的特征圖進行卷積操作，得到64張30×80的特征圖，共有（3×3×32+1）×64=18 496個訓練參數。

S4層，對C3層得到的特征圖進行最大池化操作，得到64張15×40的特征圖，共有（1+1）×64=128個訓練參數。

F5層，全連接層，將15×40×64的特征圖展開為38 400維的向量，輸出1 024個節點。

F6層，全連接層，輸入節點為1 024個，輸出節點為62×4=248個（一張圖片共4個字符，每個字符有62種可能）。

每一層參數及輸出如表1所示。

表1 卷積神經網絡各層參數Tab.1 Parameters of each layer in CNN

2 實驗部分

2.1 實驗數據

卷積神經網絡的訓練需要大量的數據。由于缺少公共數據集，本文采用的圖像由程序自動生成。驗證碼圖像高度為60像素，寬度為160像素，字符集包括阿拉伯數字0～9，26個英文字母的大小寫。每張圖像包括4個隨機字符并含有一定噪聲，字符均有不同程度的扭曲、變形和粘連。數據集分為訓練集和測試集，訓練集包括40 000張圖片，測試集包括1 000張圖片。部分驗證碼圖片如圖2所示。

圖2 部分驗證碼圖片Fig.2 Some CAPTCHAs

2.2 實驗結果

本文程序采用Python語言編寫，基于Google開源機器學習框架Tensorflow。其中batch size為100，初始學習率（learning rate）為0.003，并在訓練過程中不斷衰減（每1 000次訓練學習率下降為上一學習率的1/3），同時采用AdamOptimizer作為優化器。為驗證學習率對訓練結果的影響，訓練過程中設置對照組（固定學習率）進行對比實驗。

測試平臺為Ubuntu 16.04，內存16 GB，GPU為NVIDIA GeForce GTX 1080Ti。兩組實驗迭代次數與準確率關系如表2所示。

實驗結果表明，在學習率變化的情況下，迭代訓練10 000次之后，模型已經達到了一個較好的準確度。隨著迭代次數的增加，準確度繼續提高；盡管在訓練過程中，準確率有一定程度的下降，但最終依然超過99%，并繼續保持穩定。而當學習率保持固定不變時，模型性能較差。由此可以證明，變化的學習率可以提高卷積神經網絡的訓練效率。

表2 不同學習率與迭代次數下識別準確率的比較Tab.2 Recognition accuracy comparison under different learning rates and iterations

測試集方面，除個別字符偶爾識別有誤（如“0”，“o”與“O”），模型在大多數驗證碼上表現良好，測試集準確率在95%以上。

3 結 語

本文提出基于LeNet-5的網絡模型對驗證碼進行識別，利用卷積神經網絡對驗證碼的特征進行提取。實驗表明：1）本文提出的卷積神經網絡模型實現了端到端的識別，避免流程過多導致的設計缺陷，在驗證碼識別上具有較高的準確率；2）隨著訓練次數的增加，變化的學習率對于識別準確度的提高有明顯幫助。