计算机科学导论-基于计算思维的思想与方法（第4版） 课件【ch12】计算机前沿技术

计算机科学导论基于计算思维的思想与方法计算机前沿技术第十二章新工科建设之路·计算机类系列教材01人工智能技术人工智能技术01一、人工智能的概念人工智能的定义人工智能(ArtificialIntelligence，AI)就是通过某种机器(或系统)来实现“智能”行为，也指研究这样的智能系统是否能够实现以及如何实现的科学领域。因此可以说：人工智能是研究、设计和应用智能机器或智能系统来模拟人类智能活动的能力，以延伸人类智能的科学，因而也被称为机器智能(MachineIntelligence，MI)。目前，机器智能主要指通过普通计算机来实现的智能。人工智能技术01二、人工智能关键技术模式识别是研究如何使机器具有感知能力，主要研究视觉模式和听觉模式的识别，模式识别在日常生活和军事上都有广泛的用途，近年来迅速发展起来应用模糊数学模式、人工神经网络模式的方法逐渐取代传统的用统计模式和结构模式的识别方法。1.模式识别人工智能技术01二、人工智能关键技术语音识别主要研究各种语音信号的分类识别。语音识别技术利用话筒和各种传感器接收外界信息，并把它转换成电信号，通过计算机，将这些电信号进行各种变换和预处理，从中抽取有意义的特征，得到输入信号模式，然后与已有的标准模式进行比较，完成对输入信息的分类识别。2.语音识别人工智能技术01二、人工智能关键技术目前，人们在使用计算机时大都用计算机的高级语言编制程序来告诉计算机“做什么”和“怎样做”。如果能让计算机“听懂”“看懂”人类自身的语言(如汉语、英语等)，不但可以使更多的人方便地使用计算机，而且极大地提高使用计算机的效率。而这一功能的实现则依赖自然语言理解的研究。3.语言理解人工智能技术01二、人工智能关键技术4.机器学习机器学习的研究主要在以下三方面进行：一是研究人类学习的机理、人脑思维的过程；二是研究机器学习的方法；三是建立针对具体任务的学习系统。机器学习的研究是建立在信息科学、脑科学、人工神经网络学、逻辑学、模糊数学等学科基础之上的。人工智能技术01二、人工智能关键技术5.智能行为智能行为与人的行为能力相对应，智能行为主要是指计算机的表达能力，“说”“写”“画”等。对于智能机器人，它还应具有人的四肢功能，即能走路、能取物、能操作等。目前，智能行为主要包括智能检索与调度、智能控制和机器人，而机器博弈可看作智能行为的一个实例。人工智能技术01三、人工智能技术应用1.智能机器人人工智能是控制论、计算机科学、心理学等多学科综合的产物，是计算机应用研究最前沿的学科领域，也是探索计算机模拟人的感觉和思维规律的科学。各类智能机器人的大量出现，是人工智能研究取得重大进展的主要标志之一。人工智能技术01三、人工智能技术应用2.智能控制智能控制是用计算机模拟人类智能的一个重要研究领域，是一类无须(或需要尽可能少的)人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。智能控制的核心在高层控制，即组织级控制，其任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划，以实现广义问题求解。人工智能技术01三、人工智能技术应用专家系统是一个智能的计算机程序，运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题，任何解题能力达到了同领域人类专家水平的计算机程序都可以称为专家系统。可见，专家系统是在特定领域中以人类专家水平求解困难问题的计算机程序或系统。3.智能专家系统人工智能技术01三、人工智能技术应用人工智能在电子技术领域的应用可谓由来已久。计算机及网络技术的高速发展，为传统技术的改进和变更提供了技术支撑。近年来，我国的人工智技术在模式识别、图像识别、语音识别等方面已取得突破性的进展，例如，城市大脑(交通导航、交通指挥)、智能机器人、人脸识别等方面的研究已进入到使用阶段，手机上的二维码、手写输入、无人驾驶汽车等是最典型的实例。4.智能电子技术人工智能技术01三、人工智能技术应用人工智能在技术研究中不断取得新进展，因而在管理系统中获得广泛应用。如信息查询、情报搜索、身份识别、交通运输、交通导航、资源管理、调度管理等，无论是管理方式、管理质量管理效率、可靠度、准确度，还是自动化程度和智能化程度，都是传统管理系统无法相比拟的，并且很多方面是传统管理系统无法实现的。5.智能管理系统02虚拟现实技术虚拟现实技术02虚拟现实技术是采用计算机技术生成的一个逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉等的感觉世界，用户可以用人的自然技能对这个生成的虚拟实体进行交互考察。一、虚拟现实的概念1.虚拟现实技术的特征简捷地说明了虚拟现实系统的基本特征，即所谓I3(Immersion-Interaction-Imagination，沉浸-交互-构想)，如图12-2所示。虚拟现实技术022.虚拟现实系统的基本构成典型的虚拟现实系统可由8个模块组成，按照感受方式的不同，可以分为4类。(1)“可穿戴的”虚拟现实系统(2)桌面虚拟现实系统(3)投影虚拟现实系统(4)网络虚拟现实一、虚拟现实的概念虚拟现实技术023.虚拟现实技术与相关技术的区别计算机仿真技术是基于相似原理、利用计算机程序模拟实际系统进行科学实验(模拟)的技术。从模拟系统环境的特点看，计算机仿真技术与虚拟现实技术有一定的相似性，但计算机仿真技术研究的重点仿真系统构造的数学模型及其仿真结果的精度和可信度问题，不包括沉浸性、交互性、构想性和多感知问题，基本上将用户视为“旁观者”。一、虚拟现实的概念虚拟现实技术02虚拟现实技术基于多媒体技术，虚拟现实的实现涉及很多方面，就应用研究来讲，其关键技术主要体现在以下五方面。1.动态环境建模技术2.实时三维图形生成技术3.立体显示和传感器技术4.应用系统开发工具5.系统集成技术二、虚拟现实关键技术虚拟现实技术02三、虚拟现实技术应用虚拟现实技术虽然是一门新兴的技术，但近年来其研究取得了很大进展。目前，虚拟现实技术的应用主要有以下方面。1.虚拟娱乐游戏2.虚拟军事演练3.虚拟产品设计4.虚拟模拟教学5.艺术创作03移动互联网技术移动互联网技术03一、移动互联网的概念1.移动互联网的特点移动互联网是移动通信技术与互联网的技术、平台商业模式和应用结合的总称。移动互联网虽然基于Internet，但具有以下鲜明特点。(1)便捷性务；(2)便携性；(3)即时性；(4)定向性；(5)精准性；(6)感触性。移动互联网技术03二、移动互联网关键技术1.移动互联网通信技术(1)移动通信网络技术移动通信网络技术是移动网络的技术基础，随着蜂窝小区的迅速发展，用户彻底摆脱了终端设备的束缚，实现了完整的个人移动性、可靠的传输手段和接入方式。(2)中短距离无线通信技术中短距离无线通信技术是实现移动终端互联的技术，包括蓝牙技术和无线局域网技术。移动互联网技术03二、移动互联网关键技术2.移动互联网终端技术移动互联网终端技术主要包括终端制造技术、终端硬件技术和终端软件技术三类。终端制造技术是集成了机械工程、自动化、信息、电子技术等形成的技术、设备和系统的统称；终端硬件技术是实现移动互联网信息输入、信息输出、信息存储与处理等技术的统称，一般分为处理器芯片技术、人机交互技术等；终端软件技术是指通过用户与硬件间的接口界面与移动终端进行数据.或信息交换的技术统称，一般分为移动操作系统、移动中间件及移动应用程序等技术。移动互联网技术03三、移动互联网技术应用移动通信网与互联网相结合而形成的移动互联网，使得人们可以使用智能手机、PDA、平板电脑等移动智能终端更加方便地利用互联网提供的多项服务。特别是智能手机的普及使移动互联网逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域。目前，移动互联网的应用领域主要包括即时通信、信息搜索、移动阅读、手机游戏、手机视频、移动定位、手机支付等。04物联网技术物联网技术04一、物联网的概念1.物联网的定义物联网就是物物相连的互联网，包括两层意思：一是物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；二是用户端延伸和扩展到了物品与物品之间进行信息交换和通信。物联网包括互联网上所有的资源，兼容互联网上所有的应用，但物联网中所有的元素(设备、资源及通信等)都是个性化和私有化的。物联网技术04一、物联网的概念2.物联网的体系结构物联网利用局部网络或互联网等通信技术，把传感器、控制器、机器、人员和物体通过新的方式连接在一起，形成人与物、物与物相连，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网的体系结构包括应用层、网络层和感知层，其体系结构如图12-4所示。物联网技术04一、物联网的概念4.物联网的特征发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分有三个特征。(1)全面感知(2)可靠传递(3)智能处理物联网技术04二、物联网关键技术物联网是在互联网的基础上发展起来的，要通过网络获取万物互连信息，则涉及许多新技术的应用，其关键技术有射频识别技术、传感器技术、网络通信技术、智能嵌入技术等。物联网技术04三、物联网技术应用物联网的用途极为广泛，遍及智能交通、环境保护、货物流通、智能消防、工业检测、环境监测、路灯照明管控、个人健康、水系检测、食品溯源、敌情侦查、情报搜索等众多领域。05云计算技术云计算技术05一、云计算的概念1.云计算的定义云计算是将网络中分布的计算、存储、服务设备、网络软件等资源集中起来，将资源以虚拟化的方式为用户提供方便快捷的服务。云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源实行统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供按需服务，而提供资源的网络被称为“云”。云计算技术05一、云计算的概念2.云计算服务模式云计算主要包括三种服务模式：软件即服务(SoftwareasaService，SaaS)、平台即服务(PlatformasaService，PaaS)和架构即服务(InfrastructureasaService，laaS)，如图12-5所示。云计算技术05一、云计算的概念3.云计算部署模型美国国家标准和技术研究院的云计算定义涉及了关于云计算的部署模型，它包括了如下内容。(1)公用云(PublicCloud)(2)私有云(PrivateCloud)(3)社区云(CommunityCloud)(4)混合云(HybridCloud)云计算技术05二、云计算关键技术云计算是21世纪发展起来的一种应用技术，严格意义上是一种基于计算机网络的服务技术。因此，其关键技术主要有虚拟化技术、分布存储技术、并行编程模式、数据管理技术、平台管理技术等。云计算技术05三、云计算技术应用云计算虽然诞生的时间不长，但发展很快。由于它具有诸多优点，特别是随着我国科学技术的全面发展和“一带一路”不断拓展，云计算的应用在不断地向各领域延伸。1.金融与能源领域2.电子政务领域3.教育科研领域4.医药医疗领域5.制造业领域06大数据技术大数据技术06一、大数据的概念1.大数据的定义大数据，或称为巨量资料，是指让我们以一种前所未有的方式，通过对海量数据进行分析，获得有巨大价值的产品和服务。大数据是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。大数据技术06一、大数据的概念2.大数据的特征大数据是一个体量巨大、数据类型特别多的数据集，不仅表示数据规模的庞大，还反映数据的模态类型、传递速度、潜在价值等状况。可以用“5V+1C"来概括大数据具有的特征。(1)规模性；(2)多样性；(3)快速性；(4)真实性；(5)价值性；(6)复杂性。大数据技术06二、大数据关键技术大数据是从各种类型的数据中快速获得有价值信息的技术。大数据领域已经涌现出了大量新的技术，并已成为大数