智能信息处理1-绪论

智能信息处理第一章绪论主讲：滕召胜时间：2012年9月17日19:00地点：电气楼305相关信息滕召胜电气与信息工程学院，电气楼309Tel:8882333313007313355Email:tengzs@126.com相关信息参考教材信息智能处理技术毕晓君电子工业出版社2010智能可以是名词，也可以是形容词。用作名词，智能是指人类所能进行的脑力劳动，包括感觉、认知、记忆、联想、计算、推理、判断、决策、抽象、概括……用作形容词，智能的意义是：人一样的、聪明的、灵活的、柔性的、自学习的、自组织的、自适应的、自治的……智能理论的研究包括两方面：其一是对智能的产生、形成和工作的机制的直接研究；其二是研究如何利用人工的方法模拟、延伸和扩展智能。什么是智能？

信息是指各个事物运动的状态及状态变化的方式。消息是指包含信息的语言、文字、符号和图像。信号是消息的物理体现，是信息的载荷子或载体。对人类而言，五官感受信息，是信息接收器。然而，大量的信息是我们的五官不能直接感受的，人类正通过各种手段，发明各种仪器来感知它们，发现它们。信息是可以交流的，还可以被储存和使用。读过的书，听到的音乐，看到的事物，想到或者做过的事情，都是信息。什么是信息、消息、信号？信息技术就是感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。信息技术研究如何利用感测技术获取信息、通信技术传递信息、计算机技术处理信息、控制技术利用信息。四大技术各司其职，但从技术要素层次上看，它们又互相包含、相互交叉、相互融合。当今的信息技术在记忆能力、计算能力等方面已经超过人脑，但在文字识别、语音识别、图像识别、模糊判断、模糊推理等方面还远远逊色于人脑。信息技术的发展方向是智能化。什么是信息技术？1.1计算机与人类大脑能够使用工具是人类的重要特征。人们对于体力上胜过他们的机器司空见惯，然而，当IBM的计算机（DeepBlue）打败国际象棋大师Kasparov的时候，许多人坐不住了：计算机如此聪明，它们能力的成长会失去控制，最终危害人类吗？实际上，胜过人类棋手的计算机，无非是按照程序设计者事先规定的算法行事，是编程者的算法胜了国际象棋大师。所谓算法，就是求解问题的步骤。比如求两个数相除的余数，首先要判断这两个数哪一个大；然后用大数减去小数；如果得到的结果仍大于小数，就用结果再减一次小数；重复判断当前的结果和小数的大小关系，只要大于小数，就继续做减法，直到结果小于小数；最后的结果就是余数。同样地，两个数相乘也可以分解成多次这样的简单运算。由于计算机每秒可以执行很多次简单运算，它们在求解两个6位数相乘这样的问题上，可以轻而易举地超过人，做得比人快得多。1.1计算机与人类大脑根据局面求解下一步棋怎么走最终取胜的概率最大又比两个数相乘难得多，胜过国际象棋大师的计算机需要很快的CPU、很大的数据库容量和精巧的算法。但分开来看，算法的每一步仍是些简单的运算，计算机的智能也完全构筑在这些简单运算的机械堆积上。1.1计算机与人类大脑心理活动的最高层级是思维策略，中间一层是初级信息处理，最低层级是生理过程，即中枢神经系统、神经元和大脑的活动，与此相应的是计算机程序、语言和硬件。研究认知过程的主要任务是探求高层次思维决策与初级信息处理的关系，并用计算机程序来模拟人的思维策略水平，而用计算机语言模拟人的初级信息处理过程。这是智能信息处理的起源！1.1计算机与人类大脑

人类信息活动的五次巨大的变革：语言：标志着人类信息活动的范围和效率的飞跃性提高，人类的信息活动从具体走向抽象。文字：文字打破了时间和空间的限制，使信息可以传得更久，传得更远，实现了信息的共享。印刷术：使人类信息传递的速度和范围急剧扩展，信息存储能力进一步加强，初步实现了广泛的信息共享电磁波利用：电信革命的实现，是人类划时代的进步。计算机与网络技术：计算机、网络技术、通信技术的结合，使信息处理第一次达到了一体化和自动化。1.2智能信息处理技术的发展早期的信息传递方式喇叭：最早的传声工具，至今还可以见到。击鼓传声：在公元前35000年开始有鼓，用来传送消息；各个城市都有鼓楼。烽火台：中国古代用于传递军事情报，利用火与烟传递信息：狼烟。长跑：纪念一位2000多年前为传送捷报而牺牲的英雄设立。公元前490年，希腊军队在马拉松平原击退波斯王大流士一世军队的入侵，传令兵菲迪皮茨一口气从马拉松镇跑到首都雅典报告喜讯，当他跑完42195米的路程，赶到雅典广场说完“我们胜利了”后，就精疲力竭倒地而死。1.2智能信息处理技术的发展驿站：传递书信、文书、奏报等。风筝：在古代是传递消息和作为侦察的用具。信鸽和信猴：在通信技术高度发达的今天，信鸽仍有用武之地；瑞士军队训育出传递集成电路芯片的信鸽，保密性极高；信鸽甚至有可能成为特种通信兵。灯塔：用于指引航向。公元前280年古埃及人在亚历山大城对面的法罗斯岛上修筑的法罗斯灯塔被誉为古代世界七大奇观之一。到1984年初，灯塔已超过55000座。通信塔：18世纪，法国利用塔顶上竖起一根木柱和木柱上安装的水平横杆组成的构形传递信息。旗语：主要用于古代航海船只之间的通信。1.2智能信息处理技术的发展

控制论之父维纳在1940年写给朋友的一封信中，对现代计算机的设计提出了5条原则：

（1）不是模拟式，而是数字式；（2）由电子元件构成，尽量减少机械部件；（3）采用二进制，而不是十进制；（4）内部存放计算表；（5）在计算机内部存贮数据。1.2智能信息处理技术的发展维纳考虑、发现了计算机与大脑工作的相似性。维纳认为计算机是一个进行信息处理和信息转换的系统，只要这个系统能得到数据，机器本身就应该能做几乎任何事情。而且计算机本身并不一定要用齿轮、导线、轴、电机等部件制成。麻省理工学院的一位教授为了证实维纳的这个观点，甚至用石块和卫生纸卷制造过一台简单的能运行的计算机。1.2智能信息处理技术的发展1950年，计算机理论的奠基人阿伦·图灵发表了一篇题为《计算机和智力》的著名文章，提出了一个检验计算机是否在“思维”的方法，后来被称为“图灵测试”或者“图灵检验”。图灵预言2000年到来之前就会有计算机通过图灵测试：检验者分别与一个真实的人和一台计算机进行问答，通过两者回答的信息来评判谁到底是人。如果检验者通过一段过程比如几个小时的问答，还无法区分到底谁是人，那么被检验的计算机就通过了测试，被认为能够“思维”。1.2智能信息处理技术的发展图灵的预言没有实现，计算机虽然被叫做电脑，它们的表现仍和大脑相去甚远。几十年来计算机的速度变快、容量增大、种类变多、应用越来越广泛，计算技术是否像一条青虫，不断长大，但是一直没有羽化成蝶？伴随着计算机技术的发展，智能信息处理技术得到了飞速发展，上世纪50年代以后产生了模糊信息处理、人工神经网络、信息融合等一批仿人智能信息处理方法，促进了智能技术的发展。1.2智能信息处理技术的发展智能信息处理的发展与应用，促进了人工智能技术的发展，包括语言处理、自动定理证明、智能数据检索系统、视觉系统、问题求解、人工智能方法、程序语言、自动程序设计等。40多年来，智能信息处理已经显示出强大威力，例如，计算机数学工具、下棋软件、集成电路设计分析工具、人类自然语言合成、情报检索、疾病诊断、太空飞行器测控、水下机器人测控等。1.3智能信息处理的应用1976年7月，美国的阿佩尔（K.Appel）等人合作解决了长达124年之久的难题——四色定理。他们用三台大型计算机，花去1200小时CPU时间，并对中间结果进行人为反复修改500多处。四色定理的成功证明曾轰动计算机界。1.3智能信息处理的应用1997年，DeepBlue的硬件系统采用了32节点的大规模并行结构，每个节点由8片专用的处理器同时工作，这样，系统由256个处理器组成了一个高速并行计算机系统；研究小组又不断完善了博弈的程序。DeepBlue发展为高水平的博弈大师，在国际象棋比赛规定的每步棋限时3分钟里，可以推演1000-2000亿步棋局。GarryKasparov的思考速度是200步/分。1997年5月11日，DeepBlue以3.52.5战胜了GarryKasparov。1.3智能信息处理的应用可量度:信息可采用某种度量单位进行度量，并进行信息编码。如现代计算机使用的二进制。可识别：信息可采取直观识别、比较识别和间接识别等多种方式来把握。可转换：信息可以从一种形态转换为另一种形态。如自然信息可转换为语言、文字和图像等形态，也可转换为电磁波信号或计算机代码。可存储：信息可以存储。大脑就是一个天然信息存储器。人类发明的文字、摄影、录音、录像以及计算机存储器等都可以进行信息存储。1.4信息的基本特征可处理：人脑就是最佳的信息处理器。人脑的思维功能可以进行决策、设计、研究、写作、改进、发明、创造等多种信息处理活动。计算机也具有信息处理功能。可传递：信息传递是与物质和能量的传递同时进行的。语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、电话等是人类常用的信息传递方式。可再生：信息经过处理后，可以其他形式再生。如自然信息经过人工处理后，可用语言或图形等方式再生成信息。输入计算机的各种数据文字等信息，可用显示、打印、绘图等方式再生成信息。1.4信息的基本特征可压缩：信息可以进行压缩，可以用不同的信息量来描述同一事物。人们常常用尽可能少的信息量描述一件事物的主要特征。可利用：信息具有一定的实效性和可利用性。可共享：信息具有扩散性，因此可共享。1.4信息的基本特征信息科学技术：信息社会的基石

自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。信息科学技术的发展改变了人们的生产、生活方式，真正实现了“天涯若比邻”的理想。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。1.5信息的作用1.5信息的作用1946年2月14日，由18,000个电子管组成的第一台通用电子计算机诞生于MooreSchool，Univ.ofPennsylvania。大小：长24m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140kW；平均无故障运行时间：7min信息处理面临的问题：人类已经进入“信息化社会”、“数字化社会”；信息爆炸致使信息存量指数递增。信息处理能力的增长远远赶不上信息量的增长；信息不但在量上呈爆炸趋势，而且信息结构越来越复杂，处理越来越困难；信息越来越多，但是信息的利用率越来越低，人们被埋没在数据和信息的海洋之中，不知所措；1.6信息处理面临的问题与解决方法Internet的发展开拓了人类的“视界”和交流范围，但无序成长和恶意产生的“垃圾信息”带来了很多的问题；海量信息分布在广阔的信息网络上，各节点间为了使用它们必须相互通信，而且（活的）人参与其中，确定的、模糊的、连续的、时断时续的、有规律的、随机的……使问题更加复杂化；信息的安全问题：国家安全、银行/金融系统的安全、个人通信的安全……信息处理速度问题。1.6信息处理面临的问题与解决方法解决方法：在物理实现上不断探求新思想、新原理和新方法，使各种信息领域元器件的性能不断提高——电子技术；计算机、网络等的体系结构和处理逻辑不断改进，发明和设计出各种新型的硬件系统；创造优良的信息处理方法和高效的计算方法，不断提高系统的处理效率；不断创新，使软件的理论和技术迅速改进，设计和实现切实可用的软件系统，包括各种系统软件、中间软件、应用软件；1.6信息处理面临的问题与解决方法实现信息在更广阔的范围内快速、可靠、安全、随时随地地传输——通信技术；为不断增长的、海量的、各种类型的信息提供快速、可靠和安全的存储设备——存储技术；研究人的视觉、听觉、生理、心理等机制，以及大脑结构和功能，在计算机上进行模拟，制造出机器感知和人工智能，使信息处理技术更加智能化——智能科学；

以上高新技术问题，正好都是我院老师和研究生正在学习和研究的问题，其中智能化的信息处理方法是本课程要学习的基本内容。1.6信息处理面临的问题与解决方法智能信息处理技术是研究信息的获取（收集）、表示（组织）、存储、处理、传输（包括发送、路由、接收）、利用及其数学/物理/生物学理论的一门科学技术。智能信息处理技术是集数学、物理学、电子学、通信技术、计算机科学技术、智能科学技术以及测控理论与技术于一体的交叉学科。1.7信息科学技术研究的基本内容信息获取的研究包括：感知、采集、融合等。信息表示的研究包括：

表示形式：物理表示/生化表示/符号表示；表示形态：静态/动态；表示介质：声、电、光、磁、量子、纸、视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等可感知物质；组织形式：简单信息/复杂信息。信息的存储根据表示介质的不同而有不同的存储形式。1.7信息科学技术研究的基本内容信息处理内容十分广泛，包括放大、去噪、去伪、滤波、排序、分类、聚类、检索、计算、转换、识别、判定、分析、综合、决策等等。信息传输包括协议、编码（打包）、调制、发送、路由、接收、解码（解包）、解调、交换、通信的带宽、误码率、可靠性、安全性和质量（QOS）等等。信息利用的范围也十分广泛，它是比“信息处理”更高层次的信息应用，包括控制、决策、预测、估计、优化（寻优）、监视、可视化、监听、仿真、仿生、心理、生理等等。1.7信息科学技术研究的基本内容信息技术的数学理论包括：信息论（编码、度量、特性、传播、可靠性等）；数理逻辑和算法论——计算机体系结构和程序的数学理论；人工智能理论（知识处理、学习、机器人等）；计算智能（模糊计算、神经计算、进化计算等）；数学建模理论；优化的数学理论；通信协议的数学理论。1.7信息科学技术研究的基本内容信息技术的物理学理论包括：电子学理论；量子理论/光量子理论；微电子学理论；纳米电子学理论。1.7信息科学技术研究的基本内容信息技术的生物学理论包括：生物信息论；遗传学和基因理论；脑科学；生物物理学；生物化学。1.7信息科学技术研究的基本内容摩尔定律即电子定律微电子制造工艺技术每3年前进一代，集成电路的集成度翻两番。超摩尔定律即光子定律光信息技术水平每9个月翻一番。迈特卡夫定律网络的价值以联网设备数的平方关系而增加。1.8信息领域的三定律1.8信息领域的三定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010半导体销售量

1.8信息领域的三定律1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68