計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論-基于計(jì)算思維的思想與方法（第4版） 課件【ch12】計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論基于計(jì)算思維的思想與方法計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)第十二章新工科建設(shè)之路·計(jì)算機(jī)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(jī)器(或系統(tǒng))來實(shí)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(shí)現(xiàn)的科學(xué)領(lǐng)域。因此可以說：人工智能是研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能機(jī)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(xué)，因而也被稱為機(jī)器智能(MachineIntelligence，MI)。目前，機(jī)器智能主要指通過普通計(jì)算機(jī)來實(shí)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(jī)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(yīng)用模糊數(shù)學(xué)模式、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式的方法逐漸取代傳統(tǒng)的用統(tǒng)計(jì)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(jì)算機(jī)，將這些電信號進(jìn)行各種變換和預(yù)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(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)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(jì)算機(jī)時大都用計(jì)算機(jī)的高級語言編制程序來告訴計(jì)算機(jī)“做什么”和“怎樣做”。如果能讓計(jì)算機(jī)“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(jì)算機(jī)，而且極大地提高使用計(jì)算機(jī)的效率。而這一功能的實(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)的研究主要在以下三方面進(jìn)行：一是研究人類學(xué)習(xí)的機(jī)理、人腦思維的過程；二是研究機(jī)器學(xué)習(xí)的方法；三是建立針對具體任務(wù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。機(jī)器學(xué)習(xí)的研究是建立在信息科學(xué)、腦科學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)、邏輯學(xué)、模糊數(shù)學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)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(yīng)，智能行為主要是指計(jì)算機(jī)的表達(dá)能力，“說”“寫”“畫”等。對于智能機(jī)器人，它還應(yīng)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(jī)器人，而機(jī)器博弈可看作智能行為的一個實(shí)例。人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應(yīng)用1.智能機(jī)器人人工智能是控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科綜合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究最前沿的學(xué)科領(lǐng)域，也是探索計(jì)算機(jī)模擬人的感覺和思維規(guī)律的科學(xué)。各類智能機(jī)器人的大量出現(xiàn)，是人工智能研究取得重大進(jìn)展的主要標(biāo)志之一。人工智能技術(shù)01三、人工智能技術(shù)應(yīng)用2.智能控制智能控制是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個重要研究領(lǐng)域，是一類無須(或需要盡可能少的)人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)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(wù)在于對實(shí)際環(huán)境或過程進(jìn)行組織，即決策和規(guī)劃，以實(shí)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(yīng)用專家系統(tǒng)是一個智能的計(jì)算機(jī)程序，運(yùn)用知識和推理步驟來解決只有專家才能解決的復(fù)雜問題，任何解題能力達(dá)到了同領(lǐng)域人類專家水平的計(jì)算機(jī)程序都可以稱為專家系統(tǒng)?？梢?，專家系統(tǒng)是在特定領(lǐng)域中以人類專家水平求解困難問題的計(jì)算機(jī)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(yīng)用人工智能在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用可謂由來已久。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，為傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)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(jìn)展，例如，城市大腦(交通導(dǎo)航、交通指揮)、智能機(jī)器人、人臉識別等方面的研究已進(jìn)入到使用階段，手機(jī)上的二維碼、手寫輸入、無人駕駛汽車等是最典型的實(shí)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(yīng)用人工智能在技術(shù)研究中不斷取得新進(jìn)展，因而在管理系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。如信息查詢、情報(bào)搜索、身份識別、交通運(yùn)輸、交通導(dǎo)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)的。5.智能管理系統(tǒng)02虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)02虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)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(shí)體進(jìn)行交互考察。一、虛擬現(xiàn)實(shí)的概念1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征簡捷地說明了虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)022.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成典型的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)系統(tǒng)(2)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(3)投影虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(4)網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)一、虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)023.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的區(qū)別計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是基于相似原理、利用計(jì)算機(jī)程序模擬實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)(模擬)的技術(shù)。從模擬系統(tǒng)環(huán)境的特點(diǎn)看，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有一定的相似性，但計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究的重點(diǎn)仿真系統(tǒng)構(gòu)造的數(shù)學(xué)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(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)02虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于多媒體技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)涉及很多方面，就應(yīng)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(shí)時三維圖形生成技術(shù)3.立體顯示和傳感器技術(shù)4.應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具5.系統(tǒng)集成技術(shù)二、虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)02三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)展。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)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(shè)計(jì)4.虛擬模擬教學(xué)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(diǎn)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(yīng)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(diǎn)。(1)便捷性務(wù)；(2)便攜性；(3)即時性；(4)定向性；(5)精準(zhǔn)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(luò)技術(shù)移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是移動網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，隨著蜂窩小區(qū)的迅速發(fā)展，用戶徹底擺脫了終端設(shè)備的束縛，實(shí)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(shí)現(xiàn)移動終端互聯(lián)的技術(shù)，包括藍(lán)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(jī)械工程、自動化、信息、電子技術(shù)等形成的技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)的統(tǒng)稱；終端硬件技術(shù)是實(shí)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(jī)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(jī)、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(xiàng)服務(wù)。特別是智能手機(jī)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(lǐng)域。目前，移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括即時通信、信息搜索、移動閱讀、手機(jī)游戲、手機(jī)視頻、移動定位、手機(jī)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(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；二是用戶端延伸和擴(kuò)展到了物品與物品之間進(jìn)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(yīng)用，但物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素(設(shè)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(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，把傳感器、控制器、機(jī)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(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)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(yàn)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(chǔ)上發(fā)展起來的，要通過網(wǎng)絡(luò)獲取萬物互連信息，則涉及許多新技術(shù)的應(yīng)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(luò)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(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的用途極為廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、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(bào)搜索等眾多領(lǐng)域。05云計(jì)算技術(shù)云計(jì)算技術(shù)05一、云計(jì)算的概念1.云計(jì)算的定義云計(jì)算是將網(wǎng)絡(luò)中分布的計(jì)算、存儲、服務(wù)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)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(wù)。云計(jì)算的核心思想是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源實(shí)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個計(jì)算資源池向用戶提供按需服務(wù)，而提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”。云計(jì)算技術(shù)05一、云計(jì)算的概念2.云計(jì)算服務(wù)模式云計(jì)算主要包括三種服務(wù)模式：軟件即服務(wù)(SoftwareasaService，SaaS)、平臺即服務(wù)(PlatformasaService，PaaS)和架構(gòu)即服務(wù)(InfrastructureasaService，laaS)，如圖12-5所示。云計(jì)算技術(shù)05一、云計(jì)算的概念3.云計(jì)算部署模型美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院的云計(jì)算定義涉及了關(guān)于云計(jì)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(jì)算技術(shù)05二、云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)云計(jì)算是21世紀(jì)發(fā)展起來的一種應(yīng)用技術(shù)，嚴(yán)格意義上是一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)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(jì)算技術(shù)05三、云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用云計(jì)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(diǎn)，特別是隨著我國科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展和“一帶一路”不斷拓展，云計(jì)算的應(yīng)用在不斷地向各領(lǐng)域延伸。1.金融與能源領(lǐng)域2.電子政務(wù)領(lǐng)域3.教育科研領(lǐng)域4.醫(yī)藥醫(yī)療領(lǐng)域5.制造業(yè)領(lǐng)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(jìn)行分析，獲得有巨大價值的產(chǎn)品和服務(wù)。大數(shù)據(jù)是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)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?？梢杂谩?V+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(shí)性；(5)價值性；(6)復(fù)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(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出了大量新的技術(shù)，并已成為大數(shù)