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HTML5 JavaScript实现图片文字识别与提取

发布时间:2013-09-21   浏览次数:2058
8月底的时候,@阿里巴巴 推出了一款名为“拯救斯诺克”的闯关游戏,作为前端校园招聘的热身,做的相当不错,让我非常喜欢。后来又传出了一条消息,阿里推出了A-star(阿里星)计划,入职阿里的技术培训生,将接受CTO等技术大牛的封闭培训,并被安排到最有挑战的项目中,由技术带头人担任主管。于是那几天关注了一下阿里巴巴的消息,结果看到这么一条微博(http://e.weibo.com/1897953162/A79Lpcvhi):

此刻,@阿里足球队 可爱的队员们已经出征北上。临走前,后防线的队员们留下一段亲切的问候,送给对手,看@新浪足球队 的前锋们如何破解。@袁甲 @蓝耀栋 #阿里新浪足球世纪大战#



阿里足球队
目测是一段Base64加密过的信息,但无奈的是这段信息是写在图片里的,我想看到解密后的内容难道还一个字一个字地打出来?这么懒这么怕麻烦的我肯定不会这么做啦→_→想到之前有看到过一篇关于HTML5实现验证码识别的文章,于是顿时觉得也应该动手尝试一下,这才是极客的风范嘛!
Demo与截图

先来一个大家最喜欢的Demo地址(识别过程需要一定时间,请耐心等待,识别结果请按F12打开Console控制台查看):

http://www.clanfei.com/demos/recognition/

再来张效果图:
HTML5 JavaScript实现图片文字提取

HTML5 JavaScript实现图片文字提取

思路

实现一个算法,思路是最重要的,而实现不过是把思想转化为能够运行的代码。

简单地说,要进行文本识别,自然是拿图片的数据与文字的图形数据进行对比,找到与图片数据匹配程度最高的字符。

首先,先确定图片中文本所用的字体、字号、行距等信息,打开PhotoShop,确定了字体为微软雅黑,16像素,行距为24,Base64文字的开始坐标为(8, 161)。

然后,确定要进行匹配的字库,Base64编码中可能出现的字符为26个字母大小写、10个数字、加号、斜杠,但目测在图片中没有斜杠出现,因此字库应该为:

0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ+

接着,是确定如何判断字符是否匹配,由于只需要对字型进行匹配,因此颜色值对算法并无用处,因此将其灰度化(详见百度百科),并使用01数组表示,1代表该像素点落在此字符图形上,0反之,而如何确定该某个灰度值在数组中应该表示为0还是1,这个转换公式更是算法中的关键。

最后,将字型的灰度化数据与图片中文字部分的灰度化数据进行对比,将误差最小的字型作为匹配到的字符,然后进行下一个字符的匹配,直到图片中所有字符匹配完毕为止。

递归实现

详细的思路于代码注释中,个人觉得这样结合上下文更为容易理解(注:代码应运行于服务器环境,否则会出现跨域错误,代码行数虽多,但注释就占了大半,有兴趣可以耐心看完,图片资源于上方“写在前面”)。

<!doctype html>
<html lang="zh-CN">
<head>
        <meta charset="UTF-8">
        <title>文字识别</title>
</head>
<body>
        <canvas id="canvas" width="880" height="1500"></canvas>
        <script type="text/javascript">
        var image = new Image();
        image.onload = recognition;
        image.src = 'image.jpg';
        function recognition(){
                // 开始时间,用于计算耗时
                var beginTime = new Date().getTime();
                // 获取画布
                var canvas = document.getElementById('canvas');
                // 字符库
                var letters = '0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ+';
                // 字型数据
                var letterData = {};
                // 获取context
                var context = canvas.getContext('2d');
                // 设置字体、字号
                context.font = '16px 微软雅黑';
                // 设置文字绘制基线为文字顶端
                context.textBaseline = 'top';
                // 一个循环获取字符库对应的字型数据
                for(var i = 0; i < letters.length; ++i){
                        var letter = letters[i];
                        // 获取字符绘制宽度
                        var width = context.measureText(letter).width;
                        // 绘制白色背景,与图片背景对应
                        context.fillStyle = '#fff';
                        context.fillRect(0, 0, width, 22);
                        // 绘制文字,以获取字型数据
                        context.fillStyle = '#000';
                        context.fillText(letter, 0, 0);
                        // 缓存字型灰度化0-1数据
                        letterData[letter] = {
                                width : width,
                                data : getBinary(context.getImageData(0, 0, width, 22).data)
                        }
                        // 清空该区域以获取下个字符字型数据
                        context.clearRect(0, 0, width, 22);
                }
                // console.log(letterData);
                
                // 绘制图片
                context.drawImage(this, 0, 0);
                // 要识别的文字开始坐标
                var x = beginX = 8;
                var y = beginY = 161;
                // 行高
                var lineHeight = 24;
                // 递归次数
                var count = 0;
                // 结果文本
                var result = '';

                // 递归开始
                findLetter(beginX, beginY, '');
                // 递归函数
                function findLetter(x, y, str){
                        // 找到结果文本,则递归结束
                        if(result){
                                return;
                        }
                        // 递归次数自增1
                        ++ count;
                        // console.log(str);
                        // 队列,用于储存可能匹配的字符
                        var queue = [];
                        // 循环匹配字符库字型数据
                        for(var letter in letterData){
                                // 获取当前字符宽度
                                var width = letterData[letter].width;
                                // 获取该矩形区域下的灰度化0-1数据
                                var data = getBinary(context.getImageData(x, y, width, 22).data);
                                // 当前字符灰度化数据与当前矩形区域下灰度化数据的偏差量
                                var deviation = 0;
                                // 一个临时变量以确定是否到了行末
                                var isEmpty = true;
                                // 如果当前矩形区域已经超出图片宽度,则进行下一个字符匹配
                                if(x + width > 440){
                                        continue;
                                }
                                // 计算偏差
                                for(var i = 0, l = data.length; i < l; ++i){
                                        // 如果发现存在的有效像素点,则确定未到行末
                                        if(isEmpty && data[i]){
                                                isEmpty = false;
                                        }
                                        // 不匹配的像素点,偏差量自增1
                                        if(data[i] != letterData[letter].data[i]){
                                                ++deviation;
                                        }
                                }
                                // 由于调试时是在猎豹浏览器下进行的,而不同浏览器下的绘图API表现略有不同
                                // 考虑到用Chrome的读者应该也不少,故简单地针对Chrome对偏差进行一点手动微调
                                // (好吧,我承认我是懒得重新调整getBinary方法的灰度化、0-1化公式=_=||)
                                // 下面这段if分支在猎豹浏览器下可以删除
                                if(letter == 'F' || letter == 'E'){
                                        deviation -= 6;
                                }
                                // 如果匹配完所有17行数据,则递归结束
                                if(y > beginY + lineHeight * 17){
                                        result = str;
                                        break;
                                }
                                // 如果已经到了行末,重置匹配坐标
                                if(isEmpty){
                                        x = beginX;
                                        y += lineHeight;
                                        str += '\n';
                                }
                                // 如果偏差量与宽度的比值小于3,则纳入匹配队列中
                                // 这里也是算法中的关键点,怎样的偏差量可以纳入匹配队列中
                                // 刚开始是直接用绝对偏差量判断,当偏差量小于某个值的时候则匹配成功,但调试过程中发现不妥之处
                                // 字符字型较小的绝对偏差量自然也小,这样l,i等较小的字型特别容易匹配成功
                                // 因此使用偏差量与字型宽度的比值作为判断依据较为合理
                                // 而这个判断值3的确定也是难点之一,大了递归的复杂度会大为增长,小了很可能将正确的字符漏掉
                                if(deviation / width < 3){
                                        queue.push({
                                                letter : letter,
                                                width : width,
                                                deviation : deviation
                                        });
                                }
                        }
                        // 如果匹配队列不为空
                        if(queue.length){
                                // 对队列进行排序,同样是根据偏差量与字符宽度的比例
                                queue.sort(compare);
                                // console.log(queue);
                                // 从队头开始进行下一个字符的匹配
                                for(var i = 0; i < queue.length && ! result; ++i){
                                        var item = queue[i];
                                        // 下一步递归
                                        findLetter(x + item.width, y, str + item.letter);
                                }
                        }else{
                                return false;
                        }
                }
                // 递归结束

                // 两个匹配到的字符的比较方法,用于排序
                function compare(letter1, letter2){
                        return letter1.deviation / letter1.width - letter2.deviation / letter2.width;
                }

                // 图像数据的灰度化及0-1化
                function getBinary(data){
                        var binaryData = [];
                        for(var i = 0, l = data.length; i < l; i += 4){
                                // 尝试过三种方式
                                // 一种是正常的灰度化公式,无论系数如何调整都无法与绘制的文字字型数据很好地匹配
                                // binaryData[i / 4] = (data[i] * 0.3 + data[i + 1] * 0.59 + data[i + 2] * 0.11) < 90;
                                // 一种是自己是通过自己手动调整系数,结果虽然接近但总是不尽人意
                                // binaryData[i / 4] = data[i] < 250 && data[i + 1] < 203 && data[i + 2] < 203;
                                // 最后使用了平均值,结果比较理想
                                binaryData[i / 4] = (data[i] + data[i + 1] + data[i + 2]) / 3 < 200;
                        }
                        return binaryData;
                }
                console.log(result);
                // 输出耗时
                console.log(count, (new Date().getTime() - beginTime) / 1000 + ' s');

                // 将文字绘制到图片对应位置上,以方便查看提取是否正确
                context.drawImage(this, this.width, 0);
                var textArray = result.split('\n');
                for(var i = 0; i < textArray.length; ++i){
                        context.fillText(textArray[i], this.width + beginX, beginY + lineHeight * i);
                }
        }
        </script>
</body>
</html>

运行环境

Win7 64位,i3-3220 CPU 3.30 GHz,8G内存

运行结果

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AAUABgAAAAAAAgABAAcACAABAAkAAAAdAAEAAQA
AAAUqtwABsQAAAAEACgAAAAYAAQAAAAEACQAL
AAwAAQAJAAAAJQACAAEAAAAJsgACEgO2AASxAAAA
AQAKAAAACgACAAAAAwAIAAQAAQANAAAAAgAO


715 1.984 s(猎豹)
772 15.52 s(Chrome)
(递归次数谷歌只比猎豹多几十,耗时却对了十几秒,看来猎豹真的比Chrome快?)

非递归实现

其实非递归实现只是递归实现前做的一点小尝试,只在猎豹下调试完成,因为不舍得删,所以顺便贴出来了,使用Chrome的各位就不要跑了(我真的不是在给猎豹做广告= =||)。

<!doctype html>
<html lang="zh-CN">
<head>
        <meta charset="UTF-8">
        <title>文字识别</title>
</head>
<body>
        <canvas id="canvas" width="880" height="1500"></canvas>
        <script type="text/javascript">
        var image = new Image();
        image.onload = recognition;
        image.src = 'image.jpg';
        function recognition(){
                // 开始时间,用于计算耗时
                var beginTime = new Date().getTime();
                // 获取画布
                var canvas = document.getElementById('canvas');
                // 字符库
                var letters = '0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ+';
                // 字型数据
                var letterData = {};
                // 获取context
                var context = canvas.getContext('2d');
                // 设置字体、字号
                context.font = '16px 微软雅黑';
                // 设置文字绘制基线为文字顶端
                context.textBaseline = 'top';
                // 一个循环获取字符库对应的字型数据
                for(var i = 0; i < letters.length; ++i){
                        var letter = letters[i];
                        // 获取字符绘制宽度
                        var width = context.measureText(letter).width;
                        // 绘制白色背景,与图片背景对应
                        context.fillStyle = '#fff';
                        context.fillRect(0, 0, width, 22);
                        // 绘制文字,以获取字型数据
                        context.fillStyle = '#000';
                        context.fillText(letter, 0, 0);
                        // 缓存字型灰度化0-1数据
                        letterData[letter] = {
                                width : width,
                                data : getBinary(context.getImageData(0, 0, width, 22).data)
                        }
                        // 清空该区域以获取下个字符字型数据
                        context.clearRect(0, 0, width, 22);
                }
                // console.log(letterData);
                
                // 绘制图片
                context.drawImage(this, 0, 0);
                // 要识别的文字开始坐标
                var x = beginX = 8;
                var y = beginY = 161;
                // 行高
                var lineHeight = 24;
                // 结果文本
                var result = '';

                // 非递归开始 
                var count = 0;
                while(y <= 569 && ++count < 1000){
                        // 当前最匹配的字符
                        var trueLetter = {letter: null, width : null, deviation: 100};
                        // 循环匹配字符
                        for(var letter in letterData){
                                // 获取当前字符宽度
                                var width = letterData[letter].width;
                                // 获取该矩形区域下的灰度化0-1数据
                                var data = getBinary(context.getImageData(x, y, width, 22).data);
                                // 当前字符灰度化数据与当前矩形区域下灰度化数据的偏差量
                                var deviation = 0;
                                // 一个临时变量以确定是否到了行末
                                var isEmpty = true;
                                // 如果当前矩形区域已经超出图片宽度,则进行下一个字符匹配
                                if(x + width > this.width){
                                        continue;
                                }
                                // 计算偏差
                                for(var i = 0, l = data.length; i < l; ++i){
                                        // 如果发现存在的有效像素点,则确定未到行末
                                        if(isEmpty && data[i]){
                                                isEmpty = false;
                                        }
                                        // 不匹配的像素点,偏差量自增1
                                        if(data[i] != letterData[letter].data[i]){
                                                ++deviation;
                                        }
                                }
                                // 非递归无法遍历所有情况,因此针对某些字符进行一些微调(这里只针对猎豹,Chrome的没做)
                                // 因为其实非递归实现只是在递归实现前做的一点小尝试,因为不舍得删,就顺便贴出来了
                                if(letter == 'M'){
                                        deviation -= 6;
                                }
                                // 如果偏差量与宽度的比值小于3,则视为匹配成功
                                if(deviation / width < 3){
                                        // 将偏差量与宽度比值最小的作为当前最匹配的字符
                                        if(deviation / width < trueLetter.deviation / trueLetter.width){
                                                trueLetter.letter = letter;
                                                trueLetter.width = width;
                                                trueLetter.deviation = deviation;
                                        }
                                }
                        }
                        // 如果已经到了行末,重置匹配坐标,进行下一轮匹配
                        if(isEmpty){
                                x = beginX;
                                y += lineHeight;
                                result += '\n';
                                continue;
                        }
                        // 如果匹配到的字符不为空,则加入结果字符串,否则输出匹配结果
                        if(trueLetter.letter){
                                result += trueLetter.letter;
                                // console.log(x, y, trueLetter.letter);
                        }else{
                                console.log(x, y, result.length);
                                break;
                        }
                        // 调整坐标至下一个字符匹配位置
                        x += trueLetter.width;
                }
                // 非递归结束

                // 图像数据的灰度化及0-1化
                function getBinary(data){
                        var binaryData = [];
                        for(var i = 0, l = data.length; i < l; i += 4){
                                // 尝试过三种方式
                                // 一种是正常的灰度化公式,无论系数如何调整都无法与绘制的文字字型数据很好地匹配
                                // binaryData[i / 4] = (data[i] * 0.3 + data[i + 1] * 0.59 + data[i + 2] * 0.11) < 90;
                                // 一种是自己是通过自己手动调整系数,结果虽然接近但总是不尽人意
                                // binaryData[i / 4] = data[i] < 250 && data[i + 1] < 203 && data[i + 2] < 203;
                                // 最后使用了平均值,结果比较理想
                                binaryData[i / 4] = (data[i] + data[i + 1] + data[i + 2]) / 3 < 200;
                        }
                        return binaryData;
                }
                console.log(result);
                // 输出耗时
                console.log(count, (new Date().getTime() - beginTime) / 1000 + ' s');

                // 将文字绘制到图片对应位置上,以方便查看提取是否正确
                context.drawImage(this, this.width, 0);
                var textArray = result.split('\n');
                for(var i = 0; i < textArray.length; ++i){
                        context.fillText(textArray[i], this.width + beginX, beginY + lineHeight * i);
                }
        }
        </script>
</body>
</html>

运行结果

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AAAUqtwABsQAAAAEACgAAAAYAAQAAAAEACQAL
AAwAAQAJAAAAJQACAAEAAAAJsgACEgO2AASxAAAA
AQAKAAAACgACAAAAAwAIAAQAAQANAAAAAgAO


702 1.931 s(猎豹)
真正的结果

找了个在线的Base64解码工具将上面的提取结果进行了一下解码,发现是一个Java编译后的.class文件,大概内容是:“新浪足球队实力超群,阵容豪华。久仰大名,周日一战,还望不遗余力,不吝赐教。”

写在最后

这个只是一个最浅层次的文字识别提取算法,不够通用,性能也一般,权当兴趣研究之用。不过我想,勇于实践、敢于尝试的精神才是最重要的。

因为最近实习工作略忙,再加上学校开学事情也多,拖了两个星期才把这边文章写出来,除此之外还有不少计划都落下了,还得继续努力啊>_<

还有最近的一些思考的结果和感触也要找个时间写下来。

PS:写这篇博客的时候精神略差,之后有想到什么再作补充吧,如果写的不好还请多多指教!