验证码识别：找回四六级准考证号

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摘要 一晃时间过的真快，距离上次更新博客已经将近10天了，这十天来也没闲着，回家终于把杀千刀的科目三过了，再也不用看到教练那张凶神恶煞的脸。前段时间四六级考试成绩公布了，小伙伴们是不是都第一时间忙着去查自己的成绩，相信有很多小伙伴跟我一样苦逼，幸幸苦苦复习了好长时间，查成绩的时候却忘了自己的准考证号（温馨提示：以后考试之前一定要记得把准考证拍一张存起来）。在网上试过无数种找回办法后，我彻底绝望了。既然别人不靠谱，咱就靠自己，经过两天的努力之后，终于成功的找回了准考证号。这篇博客主要来介绍解决这个问题的一些方法和思路。

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文章概览

基本思路


  对于查询四六级成绩来说，官方的查询入口有学信网和中国教育考试网，查询成绩需要提交的数据包括准考证号、姓名和验证码。要想查询到成绩，最简单的办法就是手工枚举准考证号，一个一个的尝试。我们知道四六级准考证的组成如下所示（第10位表示类别，四级是1，六级是2）：

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也就是说对于在同在一个考点的人来说前十位都是一致的（四级和六级不同），后面五位分别表示考场号和座位号（座位号从01到30），在我们忘记了考场号和座位号的情况下，我们至少要手工枚举几千次才有可能查询到成绩，这个工作难度可想而知。那如果我们不采用手工的方式进行枚举，而采用程序自动进行枚举呢？通过程序枚举准考证号不是什么问题，但是查询参数中包含验证码，现在需要解决地就是如何识别验证码。对于验证码地识别问题，我们可以利用机器学习的相关算法，建立识别模型，再利用识别模型来进行识别验证码。对于学信网和中国教育考试网两个网站，它们采用的验证码不同，学信网的验证码比较复杂，包含汉字等特殊字符，识别难度大，而中国教育考试网的验证码相对来说比较常规，识别难度相对小一点，本文的查询操作都是基于后者而言的。
  那么我们解决问题地大致思路就是：首先我们要获取大量的验证码数据，然后选择算法训练识别验证码的模型，最后通过重复识别查询页面的验证码，提交查询数据，分析响应数据来获得最终的结果。

训练模型

获取训练数据

  通过抓取请求相应过程中的数据包，我们可以得到获取验证码的地址。

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其中ik表示准考证号，我们可以随便填一个，t表示时间戳（这个可以不用管），我们可以不断地向这个地址发送请求，服务器的响应结果即为验证码的地址，我们再向获取到的验证码的地址发送请求，就可以得到验证码。

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具体代码如下所示（该项目的所有代码都可以在我的Github中找到）：

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# 获取验证码
def save_image_to_file():
    myid = "123456789110211"
    new_id = myid.format(id=myid)
    img_api_url = image_api.format(id=new_id)
    img_api_resp = requests.get(img_api_url, headers=img_api_headers,timeout=10)
    img_url, filename = get_image_url_and_filename(img_api_resp.text)
    r = requests.get(img_url)
    with open("images/raw_picture/" + filename, "wb+") as f:
        f.write(r.content)

处理数据

  获取到一定数量的验证码图片后（大概需要100多张，收集的图片越多越好，之后我们会讲到一种快速收集和标注验证码的方法），接下来我们需要对获取到的验证码进行相应的处理。因为对于验证码的识别，我们一般采取监督学习的算法训练模型，所以首先要对获取到的验证码进行标注，即将验证码图片的文件名改为验证码对应的数字和字母组合，这一步必须要人工进行操作。然后，为了提高验证码识别的准确率，训练更好的识别模型，我们需要对验证码图片进行相应的处理，如灰度处理、二值化、降噪。经过这些手段处理后的验证码更能体现出图片本身的特征，同时也减小了训练模型时的计算量，具体代码如下所示。

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# 灰度处理，二值化（降噪部分的代码去掉了，效果不是太理想）
def img_denoise(img, threshold):
    def init_table(threshold=threshold):
        table = []
        for i in range(256):
            if i < threshold:
                table.append(0)
            else:
                table.append(1)

        return table

    img = img.convert("L").point(init_table(), '1')
    return img

  下面我们要对验证码进行分割，因为在识别的时候，我们是识别单个的数字或字母，所以我们要将验证码进行切分，提取出每个字符对应的区域，切割后的每张图片大小一致。

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# 图片分割,参数img_split_start指定起始位置，参数img_split_width指定切割图片宽度
def img_split(img,img_split_start,img_split_width):
    start = img_split_start
    width = img_split_width
    top = 0
    height = img.size[1]
    img_list = []
    for i in range(4):
        new_start = start + width * i
        box = (new_start, top, new_start + width, height)
        piece = img.crop(box)
        #piece.save("%s.jpg" % i)
        img_list.append(piece)
    return img_list

  图片切割完成后，数据处理的最后一步是将切割后的图片转化为numpy array的形式。

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# 将Image对象转换为array_list
def img_list_to_array_list(img_list):
    array_list = []
    for img in img_list:
        array_list.append(array(img).flatten())
    return array_list

以上这些操作大家可以在我的GitHub的项目文件中通过preprocessing()、make_train_data()和img_to_array()三个函数实现。

生成模型

  生成模型主要用到的就是sklearn机器学习库中相关的算法，验证码识别属于分类任务，对于分类任务我们可以采用K近邻、支持向量机、决策树和神经网络等算法，这里我们采用的是支持向量机。

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# 训练模型
def svm_model(x_data,y_data):
    SVM = svm.SVC()
    x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(x_data,y_data,random_state=14)
    SVM.fit(x_train,y_train)
    y_predict = SVM.predict(x_test)
    average_accuracy = np.mean(y_test==y_predict)*100
    print("准确率为：{0:.1f}%".format(average_accuracy))
    pickle.dump(SVM, open("model.pkl", "wb+"))

模型训练好之后，将模型对象存储在model.pkl文件中，需要识别验证码时，只需要读取model.pkl文件即可获得识别模型，不需要再次训练。

查询操作

发送请求

  模型训练好之后，我们就可以进行查询操作了。这一阶段的大致思路是，先获取查询页面的验证码，通过识别模型进行识别，然后再向服务器提交请求参数，包括枚举的准考证号、姓名和验证码。如果服务器返回验证码错误，则重复以上操作。如果服务器返回查询结果为空则说明验证码正确，但是准考证号和姓名不一致，此时可以枚举下一个准考证号，重复操作一直到获得正确结果为止。

  由于一开始我们训练模型时使用的训练数据量很小，所以该识别模型识别的准确率比较低，那么如何提高模型识别的准确率呢。最好的办法就是增大训练数据的数量，训练新的模型。这里提供一个更快更方便获取训练数据的方法，在发送请求的代码中，我们加入两行代码（倒数第三行和倒数第二行），该代码的作用时将识别正确的验证码加入到训练数据的文件夹中，并且会自动进行标注，可以通过该方式一边查询，一边收集大量的训练数据。我的项目中，一开始手工标注的验证码有200张，训练模型后采用这种方式自动收集了1600多张验证码，然后利用所有的训练数据重新建立模型，识别的准确率提高了30%。（但是这样的做法存在一个过拟合的问腿，训练模型对于类似于一开始200张验证码的图片的识别准确率比较高，而对于其他类型的图片识别的准确率比较低。不过这个问题对于我们找回准考证号影响不大，提高准确率最好的就是一开始手工标注更多的验证码）

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# 发送请求
def send_query_until_true(num):
    # 生成准考证号
    global proxy
    new_id = myid.format(id=num)
    # 获取验证码图片地址
    img_api_url = image_api.format(id=new_id)
    while True:
        try:
            img_api_resp = requests.get(img_api_url,        headers=img_api_headers,timeout=10,proxies=proxy)
            img_url, filename = get_image_url_and_filename(img_api_resp.text)
            # 获取验证码图片并猜测
            img_resp = requests.get(img_url, timeout=10, proxies=proxy)
            if img_resp.status_code == 200:
                images = Image.open(BytesIO(img_resp.content))
                code = img_verify_code(images)
            else:
                code = "xxxx"
        except Exception:
            print("重新获取代理")
            p = str(get_proxy())
            proxy = {'http': 'http://' + p, 'https': 'http://' + p}
        else:
            break
    # CET4成绩查询选项
    # data = {"data": "CET4_181_DANGCI,{id},{name}".format(id=new_id, name=name),"v": code}
    # CET6成绩查询选项
    data = {"data": "CET6_181_DANGCI,{id},{name}".format(id=new_id, name=name),"v": code}
    query_resp = requests.post(query_api, data=data, headers=query_api_headers)
    query_text = query_resp.text
    log_info(query_text.split("'")[3],new_id)
    if "验证码错误" in query_text:
        query_text = send_query_until_true(num)
    # elif "您查询的结果为空" in query_text:
    #     images.save("images/save_picture/" + code + ".png")
    return query_text

使用代理

  在上面那段代码中，我们在请求过程中使用了代理，是为了防止频繁请求导致ip被封，代理功能可以自动切换代理，保证程序的正常运行。在测试过程中我们发现，该网站不会对ip进行封锁，所以代理可有可无。这里大致说一下代理功能是如何实现的。

  代理功能使用的代理池是Github上的开源项目，它通过从代理平台抓取可用的代理ip存储到本地Redis中，需要使用代理时，即从本地Redis中取出。使用代理功能需要进行相应的配置。

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安装并开启Redis服务器
安装依赖 pip3 install -r requirements.txt
开启代理服务 python run.py

  在上述代码中，我们使用了捕捉异常的语句，因为在使用代理的过程中我们发现代理ip可能存在网络不稳定，传输有延时等问题。总的来说，使用代理的查询速度很慢，不想使用代理的话直接将proxy配置成本地的ip和端口即可。

多线程

  在开发过程中，想过用多线程，但是效果不太理想（对并行编程不熟悉），后来想想对于查找准考证号这种问题可以根据实际情况灵活，可能有些人会大致记得自己的考场位于哪个区间之内，所以在项目中，提供了输入查询区间的接口。如果想提高查询速度，可以开启多个终端，每个终端输入不同的查询区间，这样就类似于开启了多进程（一般查询的时候开启10个终端，每个终端的考场区间为10，10分钟内可以查询到结果）。

使用教程

  简单介绍一下该项目的文件结构，如图所示。

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  • images：主要用来存放验证码图片，images中包含多个目录，row_picture存放原始验证码，change_picture存 * 放灰度化、二值化处理后的验证码，train_data存放分割后的验证码
  • proxypool：实现代理功能的相关代码
  • acquire_picture.py：包含验证码获取、处理相关操作的代码
  • model.pkl：存放识别模型
  • recongnition_code.py：项目的执行入口，包含向服务器发送请求、代理等相关代码
  • setting.py：项目相关的配置文件
  • train_data_preprocessing.py：整合验证码获取和处理相关操作
  • train_model.py：训练模型

  该项目使用的大致流程如下（要求python版本不低于3.5，该项目在win10环境测试运行无误）。

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安装相关依赖PIL、requests、numpyy、sklearn等
修改recongnition_code.py文件中的myid（准考证号前10位）、name（自己的名字）
修改recongnition_code.py文件中成绩查询选项
如果需要使用代理，需要配置代理相关环境
在项目文件夹中打开终端输入：python recongnition_code.py 开始区间 结束区间
可同时开启多个终端，每个设置不同的区间，加快查找速度

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    本文作者：光阴的故事

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