計算機科學導論基于計算思維的思想與方法計算機前沿技術(shù)第十二章新工科建設之路·計算機類系列教材01人工智能技術(shù)人工智能技術(shù)01一、人工智能的概念人工智能的定義人工智能(ArtificialIntelligence，AI)就是通過某種機器(或系統(tǒng))來實現(xiàn)“智能”行為，也指研究這樣的智能系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)以及如何實現(xiàn)的科學領域。因此可以說：人工智能是研究、設計和應用智能機器或智能系統(tǒng)來模擬人類智能活動的能力，以延伸人類智能的科學，因而也被稱為機器智能(MachineIntelligence，MI)。目前，機器智能主要指通過普通計算機來實現(xiàn)的智能。人工智能技術(shù)01二、人工智能關(guān)鍵技術(shù)模式識別是研究如何使機器具有感知能力，主要研究視覺模式和聽覺模式的識別，模式識別在日常生活和軍事上都有廣泛的用途，近年來迅速發(fā)展起來應用模糊數(shù)學模式、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式的方法逐漸取代傳統(tǒng)的用統(tǒng)計模式和結(jié)構(gòu)模式的識別方法。1.模式識別人工智能技術(shù)01二、人工智能關(guān)鍵技術(shù)語音識別主要研究各種語音信號的分類識別。語音識別技術(shù)利用話筒和各種傳感器接收外界信息，并把它轉(zhuǎn)換成電信號，通過計算機，將這些電信號進行各種變換和預處理，從中抽取有意義的特征，得到輸入信號模式，然后與已有的標準模式進行比較，完成對輸入信息的分類識別。2.語音識別人工智能技術(shù)01二、人工智能關(guān)鍵技術(shù)目前，人們在使用計算機時大都用計算機的高級語言編制程序來告訴計算機“做什么”和“怎樣做”。如果能讓計算機“聽懂”“看懂”人類自身的語言(如漢語、英語等)，不但可以使更多的人方便地使用計算機，而且極大地提高使用計算機的效率。而這一功能的實現(xiàn)則依賴自然語言理解的研究。3.語言理解人工智能技術(shù)01二、人工智能關(guān)鍵技術(shù)4.機器學習機器學習的研究主要在以下三方面進行：一是研究人類學習的機理、人腦思維的過程；二是研究機器學習的方法；三是建立針對具體任務的學習系統(tǒng)。機器學習的研究是建立在信息科學、腦科學、人工神經(jīng)網(wǎng)絡學、邏輯學、模糊數(shù)學等學科基礎之上的。人工智能技術(shù)01二、人工智能關(guān)鍵技術(shù)5.智能行為智能行為與人的行為能力相對應，智能行為主要是指計算機的表達能力，“說”“寫”“畫”等。對于智能機器人，它還應具有人的四肢功能，即能走路、能取物、能操作等。目前，智能行為主要包括智能檢索與調(diào)度、智能控制和機器人，而機器博弈可看作智能行為的一個實例。人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應用1.智能機器人人工智能是控制論、計算機科學、心理學等多學科綜合的產(chǎn)物，是計算機應用研究最前沿的學科領域，也是探索計算機模擬人的感覺和思維規(guī)律的科學。各類智能機器人的大量出現(xiàn)，是人工智能研究取得重大進展的主要標志之一。人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應用2.智能控制智能控制是用計算機模擬人類智能的一個重要研究領域，是一類無須(或需要盡可能少的)人的干預就能夠獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制。智能控制的核心在高層控制，即組織級控制，其任務在于對實際環(huán)境或過程進行組織，即決策和規(guī)劃，以實現(xiàn)廣義問題求解。人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應用專家系統(tǒng)是一個智能的計算機程序，運用知識和推理步驟來解決只有專家才能解決的復雜問題，任何解題能力達到了同領域人類專家水平的計算機程序都可以稱為專家系統(tǒng)?？梢?，專家系統(tǒng)是在特定領域中以人類專家水平求解困難問題的計算機程序或系統(tǒng)。3.智能專家系統(tǒng)人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應用人工智能在電子技術(shù)領域的應用可謂由來已久。計算機及網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展，為傳統(tǒng)技術(shù)的改進和變更提供了技術(shù)支撐。近年來，我國的人工智技術(shù)在模式識別、圖像識別、語音識別等方面已取得突破性的進展，例如，城市大腦(交通導航、交通指揮)、智能機器人、人臉識別等方面的研究已進入到使用階段，手機上的二維碼、手寫輸入、無人駕駛汽車等是最典型的實例。4.智能電子技術(shù)人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應用人工智能在技術(shù)研究中不斷取得新進展，因而在管理系統(tǒng)中獲得廣泛應用。如信息查詢、情報搜索、身份識別、交通運輸、交通導航、資源管理、調(diào)度管理等，無論是管理方式、管理質(zhì)量管理效率、可靠度、準確度，還是自動化程度和智能化程度，都是傳統(tǒng)管理系統(tǒng)無法相比擬的，并且很多方面是傳統(tǒng)管理系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。5.智能管理系統(tǒng)02虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)02虛擬現(xiàn)實技術(shù)是采用計算機技術(shù)生成的一個逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等的感覺世界，用戶可以用人的自然技能對這個生成的虛擬實體進行交互考察。一、虛擬現(xiàn)實的概念1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征簡捷地說明了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本特征，即所謂I3(Immersion-Interaction-Imagination，沉浸-交互-構(gòu)想)，如圖12-2所示。虛擬現(xiàn)實技術(shù)022.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本構(gòu)成典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可由8個模塊組成，按照感受方式的不同，可以分為4類。(1)“可穿戴的”虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(2)桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(3)投影虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(4)網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實一、虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)023.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的區(qū)別計算機仿真技術(shù)是基于相似原理、利用計算機程序模擬實際系統(tǒng)進行科學實驗(模擬)的技術(shù)。從模擬系統(tǒng)環(huán)境的特點看，計算機仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)有一定的相似性，但計算機仿真技術(shù)研究的重點仿真系統(tǒng)構(gòu)造的數(shù)學模型及其仿真結(jié)果的精度和可信度問題，不包括沉浸性、交互性、構(gòu)想性和多感知問題，基本上將用戶視為“旁觀者”。一、虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)02虛擬現(xiàn)實技術(shù)基于多媒體技術(shù)，虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)涉及很多方面，就應用研究來講，其關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下五方面。1.動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)2.實時三維圖形生成技術(shù)3.立體顯示和傳感器技術(shù)4.應用系統(tǒng)開發(fā)工具5.系統(tǒng)集成技術(shù)二、虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)02三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然是一門新興的技術(shù)，但近年來其研究取得了很大進展。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用主要有以下方面。1.虛擬娛樂游戲2.虛擬軍事演練3.虛擬產(chǎn)品設計4.虛擬模擬教學5.藝術(shù)創(chuàng)作03移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)03一、移動互聯(lián)網(wǎng)的概念1.移動互聯(lián)網(wǎng)的特點移動互聯(lián)網(wǎng)是移動通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、平臺商業(yè)模式和應用結(jié)合的總稱。移動互聯(lián)網(wǎng)雖然基于Internet，但具有以下鮮明特點。(1)便捷性務；(2)便攜性；(3)即時性；(4)定向性；(5)精準性；(6)感觸性。移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)03二、移動互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(1)移動通信網(wǎng)絡技術(shù)移動通信網(wǎng)絡技術(shù)是移動網(wǎng)絡的技術(shù)基礎，隨著蜂窩小區(qū)的迅速發(fā)展，用戶徹底擺脫了終端設備的束縛，實現(xiàn)了完整的個人移動性、可靠的傳輸手段和接入方式。(2)中短距離無線通信技術(shù)中短距離無線通信技術(shù)是實現(xiàn)移動終端互聯(lián)的技術(shù)，包括藍牙技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)。移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)03二、移動互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)2.移動互聯(lián)網(wǎng)終端技術(shù)移動互聯(lián)網(wǎng)終端技術(shù)主要包括終端制造技術(shù)、終端硬件技術(shù)和終端軟件技術(shù)三類。終端制造技術(shù)是集成了機械工程、自動化、信息、電子技術(shù)等形成的技術(shù)、設備和系統(tǒng)的統(tǒng)稱；終端硬件技術(shù)是實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)信息輸入、信息輸出、信息存儲與處理等技術(shù)的統(tǒng)稱，一般分為處理器芯片技術(shù)、人機交互技術(shù)等；終端軟件技術(shù)是指通過用戶與硬件間的接口界面與移動終端進行數(shù)據(jù).或信息交換的技術(shù)統(tǒng)稱，一般分為移動操作系統(tǒng)、移動中間件及移動應用程序等技術(shù)。移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)03三、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用移動通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合而形成的移動互聯(lián)網(wǎng)，使得人們可以使用智能手機、PDA、平板電腦等移動智能終端更加方便地利用互聯(lián)網(wǎng)提供的多項服務。特別是智能手機的普及使移動互聯(lián)網(wǎng)逐漸滲透到人們生活、工作的各個領域。目前，移動互聯(lián)網(wǎng)的應用領域主要包括即時通信、信息搜索、移動閱讀、手機游戲、手機視頻、移動定位、手機支付等。04物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)04一、物聯(lián)網(wǎng)的概念1.物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，包括兩層意思：一是物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡；二是用戶端延伸和擴展到了物品與物品之間進行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)包括互聯(lián)網(wǎng)上所有的資源，兼容互聯(lián)網(wǎng)上所有的應用，但物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素(設備、資源及通信等)都是個性化和私有化的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)04一、物聯(lián)網(wǎng)的概念2.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)利用局部網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，把傳感器、控制器、機器、人員和物體通過新的方式連接在一起，形成人與物、物與物相連，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)包括應用層、網(wǎng)絡層和感知層，其體系結(jié)構(gòu)如圖12-4所示。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)04一、物聯(lián)網(wǎng)的概念4.物聯(lián)網(wǎng)的特征發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分有三個特征。(1)全面感知(2)可靠傳遞(3)智能處理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)04二、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來的，要通過網(wǎng)絡獲取萬物互連信息，則涉及許多新技術(shù)的應用，其關(guān)鍵技術(shù)有射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、智能嵌入技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)04三、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用物聯(lián)網(wǎng)的用途極為廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、貨物流通、智能消防、工業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測、路燈照明管控、個人健康、水系檢測、食品溯源、敵情偵查、情報搜索等眾多領域。05云計算技術(shù)云計算技術(shù)05一、云計算的概念1.云計算的定義云計算是將網(wǎng)絡中分布的計算、存儲、服務設備、網(wǎng)絡軟件等資源集中起來，將資源以虛擬化的方式為用戶提供方便快捷的服務。云計算的核心思想是將大量用網(wǎng)絡連接的計算資源實行統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個計算資源池向用戶提供按需服務，而提供資源的網(wǎng)絡被稱為“云”。云計算技術(shù)05一、云計算的概念2.云計算服務模式云計算主要包括三種服務模式：軟件即服務(SoftwareasaService，SaaS)、平臺即服務(PlatformasaService，PaaS)和架構(gòu)即服務(InfrastructureasaService，laaS)，如圖12-5所示。云計算技術(shù)05一、云計算的概念3.云計算部署模型美國國家標準和技術(shù)研究院的云計算定義涉及了關(guān)于云計算的部署模型，它包括了如下內(nèi)容。(1)公用云(PublicCloud)(2)私有云(PrivateCloud)(3)社區(qū)云(CommunityCloud)(4)混合云(HybridCloud)云計算技術(shù)05二、云計算關(guān)鍵技術(shù)云計算是21世紀發(fā)展起來的一種應用技術(shù)，嚴格意義上是一種基于計算機網(wǎng)絡的服務技術(shù)。因此，其關(guān)鍵技術(shù)主要有虛擬化技術(shù)、分布存儲技術(shù)、并行編程模式、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、平臺管理技術(shù)等。云計算技術(shù)05三、云計算技術(shù)應用云計算雖然誕生的時間不長，但發(fā)展很快。由于它具有諸多優(yōu)點，特別是隨著我國科學技術(shù)的全面發(fā)展和“一帶一路”不斷拓展，云計算的應用在不斷地向各領域延伸。1.金融與能源領域2.電子政務領域3.教育科研領域4.醫(yī)藥醫(yī)療領域5.制造業(yè)領域06大數(shù)據(jù)技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)06一、大數(shù)據(jù)的概念1.大數(shù)據(jù)的定義大數(shù)據(jù)，或稱為巨量資料，是指讓我們以一種前所未有的方式，通過對海量數(shù)據(jù)進行分析，獲得有巨大價值的產(chǎn)品和服務。大數(shù)據(jù)是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)06一、大數(shù)據(jù)的概念2.大數(shù)據(jù)的特征大數(shù)據(jù)是一個體量巨大、數(shù)據(jù)類型特別多的數(shù)據(jù)集，不僅表示數(shù)據(jù)規(guī)模的龐大，還反映數(shù)據(jù)的模態(tài)類型、傳遞速度、潛在價值等狀況。可以用“5V+1C"來概括大數(shù)據(jù)具有的特征。(1)規(guī)模性；(2)多樣性；(3)快速性；(4)真實性；(5)價值性；(6)復雜性。大數(shù)據(jù)技術(shù)06二、大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)大數(shù)據(jù)是從各種類型的數(shù)據(jù)中快速獲得有價值信息的技術(shù)。大數(shù)據(jù)領域已經(jīng)涌現(xiàn)出了大量新的技術(shù)，并已成為大數(shù)