智能信息處理1-緒論

智能信息處理第一章緒論主講：滕召勝時(shí)間：2012年9月17日19:00地點(diǎn)：電氣樓305相關(guān)信息滕召勝電氣與信息工程學(xué)院，電氣樓309Tel:8882333313007313355Email:tengzs@126.com相關(guān)信息參考教材信息智能處理技術(shù)畢曉君電子工業(yè)出版社2010智能可以是名詞，也可以是形容詞。用作名詞，智能是指人類所能進(jìn)行的腦力勞動(dòng)，包括感覺、認(rèn)知、記憶、聯(lián)想、計(jì)算、推理、判斷、決策、抽象、概括……用作形容詞，智能的意義是：人一樣的、聰明的、靈活的、柔性的、自學(xué)習(xí)的、自組織的、自適應(yīng)的、自治的……智能理論的研究包括兩方面：其一是對(duì)智能的產(chǎn)生、形成和工作的機(jī)制的直接研究；其二是研究如何利用人工的方法模擬、延伸和擴(kuò)展智能。什么是智能？

信息是指各個(gè)事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)及狀態(tài)變化的方式。消息是指包含信息的語言、文字、符號(hào)和圖像。信號(hào)是消息的物理體現(xiàn)，是信息的載荷子或載體。對(duì)人類而言，五官感受信息，是信息接收器。然而，大量的信息是我們的五官不能直接感受的，人類正通過各種手段，發(fā)明各種儀器來感知它們，發(fā)現(xiàn)它們。信息是可以交流的，還可以被儲(chǔ)存和使用。讀過的書，聽到的音樂，看到的事物，想到或者做過的事情，都是信息。什么是信息、消息、信號(hào)？信息技術(shù)就是感測技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)。信息技術(shù)研究如何利用感測技術(shù)獲取信息、通信技術(shù)傳遞信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)處理信息、控制技術(shù)利用信息。四大技術(shù)各司其職，但從技術(shù)要素層次上看，它們又互相包含、相互交叉、相互融合。當(dāng)今的信息技術(shù)在記憶能力、計(jì)算能力等方面已經(jīng)超過人腦，但在文字識(shí)別、語音識(shí)別、圖像識(shí)別、模糊判斷、模糊推理等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜色于人腦。信息技術(shù)的發(fā)展方向是智能化。什么是信息技術(shù)？1.1計(jì)算機(jī)與人類大腦能夠使用工具是人類的重要特征。人們對(duì)于體力上勝過他們的機(jī)器司空見慣，然而，當(dāng)IBM的計(jì)算機(jī)（DeepBlue）打敗國際象棋大師Kasparov的時(shí)候，許多人坐不住了：計(jì)算機(jī)如此聰明，它們能力的成長會(huì)失去控制，最終危害人類嗎？實(shí)際上，勝過人類棋手的計(jì)算機(jī)，無非是按照程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的算法行事，是編程者的算法勝了國際象棋大師。所謂算法，就是求解問題的步驟。比如求兩個(gè)數(shù)相除的余數(shù)，首先要判斷這兩個(gè)數(shù)哪一個(gè)大；然后用大數(shù)減去小數(shù)；如果得到的結(jié)果仍大于小數(shù)，就用結(jié)果再減一次小數(shù)；重復(fù)判斷當(dāng)前的結(jié)果和小數(shù)的大小關(guān)系，只要大于小數(shù)，就繼續(xù)做減法，直到結(jié)果小于小數(shù)；最后的結(jié)果就是余數(shù)。同樣地，兩個(gè)數(shù)相乘也可以分解成多次這樣的簡單運(yùn)算。由于計(jì)算機(jī)每秒可以執(zhí)行很多次簡單運(yùn)算，它們?cè)谇蠼鈨蓚€(gè)6位數(shù)相乘這樣的問題上，可以輕而易舉地超過人，做得比人快得多。1.1計(jì)算機(jī)與人類大腦根據(jù)局面求解下一步棋怎么走最終取勝的概率最大又比兩個(gè)數(shù)相乘難得多，勝過國際象棋大師的計(jì)算機(jī)需要很快的CPU、很大的數(shù)據(jù)庫容量和精巧的算法。但分開來看，算法的每一步仍是些簡單的運(yùn)算，計(jì)算機(jī)的智能也完全構(gòu)筑在這些簡單運(yùn)算的機(jī)械堆積上。1.1計(jì)算機(jī)與人類大腦心理活動(dòng)的最高層級(jí)是思維策略，中間一層是初級(jí)信息處理，最低層級(jí)是生理過程，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)元和大腦的活動(dòng)，與此相應(yīng)的是計(jì)算機(jī)程序、語言和硬件。研究認(rèn)知過程的主要任務(wù)是探求高層次思維決策與初級(jí)信息處理的關(guān)系，并用計(jì)算機(jī)程序來模擬人的思維策略水平，而用計(jì)算機(jī)語言模擬人的初級(jí)信息處理過程。這是智能信息處理的起源！1.1計(jì)算機(jī)與人類大腦

人類信息活動(dòng)的五次巨大的變革：語言：標(biāo)志著人類信息活動(dòng)的范圍和效率的飛躍性提高，人類的信息活動(dòng)從具體走向抽象。文字：文字打破了時(shí)間和空間的限制，使信息可以傳得更久，傳得更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了信息的共享。印刷術(shù)：使人類信息傳遞的速度和范圍急劇擴(kuò)展，信息存儲(chǔ)能力進(jìn)一步加強(qiáng)，初步實(shí)現(xiàn)了廣泛的信息共享電磁波利用：電信革命的實(shí)現(xiàn)，是人類劃時(shí)代的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的結(jié)合，使信息處理第一次達(dá)到了一體化和自動(dòng)化。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展早期的信息傳遞方式喇叭：最早的傳聲工具，至今還可以見到。擊鼓傳聲：在公元前35000年開始有鼓，用來傳送消息；各個(gè)城市都有鼓樓。烽火臺(tái)：中國古代用于傳遞軍事情報(bào)，利用火與煙傳遞信息：狼煙。長跑：紀(jì)念一位2000多年前為傳送捷報(bào)而犧牲的英雄設(shè)立。公元前490年，希臘軍隊(duì)在馬拉松平原擊退波斯王大流士一世軍隊(duì)的入侵，傳令兵菲迪皮茨一口氣從馬拉松鎮(zhèn)跑到首都雅典報(bào)告喜訊，當(dāng)他跑完42195米的路程，趕到雅典廣場說完“我們勝利了”后，就精疲力竭倒地而死。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展驛站：傳遞書信、文書、奏報(bào)等。風(fēng)箏：在古代是傳遞消息和作為偵察的用具。信鴿和信猴：在通信技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，信鴿仍有用武之地；瑞士軍隊(duì)訓(xùn)育出傳遞集成電路芯片的信鴿，保密性極高；信鴿甚至有可能成為特種通信兵。燈塔：用于指引航向。公元前280年古埃及人在亞歷山大城對(duì)面的法羅斯島上修筑的法羅斯燈塔被譽(yù)為古代世界七大奇觀之一。到1984年初，燈塔已超過55000座。通信塔：18世紀(jì)，法國利用塔頂上豎起一根木柱和木柱上安裝的水平橫桿組成的構(gòu)形傳遞信息。旗語：主要用于古代航海船只之間的通信。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展

控制論之父維納在1940年寫給朋友的一封信中，對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)提出了5條原則：

（1）不是模擬式，而是數(shù)字式；（2）由電子元件構(gòu)成，盡量減少機(jī)械部件；（3）采用二進(jìn)制，而不是十進(jìn)制；（4）內(nèi)部存放計(jì)算表；（5）在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯數(shù)據(jù)。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展維納考慮、發(fā)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與大腦工作的相似性。維納認(rèn)為計(jì)算機(jī)是一個(gè)進(jìn)行信息處理和信息轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，只要這個(gè)系統(tǒng)能得到數(shù)據(jù)，機(jī)器本身就應(yīng)該能做幾乎任何事情。而且計(jì)算機(jī)本身并不一定要用齒輪、導(dǎo)線、軸、電機(jī)等部件制成。麻省理工學(xué)院的一位教授為了證實(shí)維納的這個(gè)觀點(diǎn)，甚至用石塊和衛(wèi)生紙卷制造過一臺(tái)簡單的能運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展1950年，計(jì)算機(jī)理論的奠基人阿倫·圖靈發(fā)表了一篇題為《計(jì)算機(jī)和智力》的著名文章，提出了一個(gè)檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)是否在“思維”的方法，后來被稱為“圖靈測試”或者“圖靈檢驗(yàn)”。圖靈預(yù)言2000年到來之前就會(huì)有計(jì)算機(jī)通過圖靈測試：檢驗(yàn)者分別與一個(gè)真實(shí)的人和一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行問答，通過兩者回答的信息來評(píng)判誰到底是人。如果檢驗(yàn)者通過一段過程比如幾個(gè)小時(shí)的問答，還無法區(qū)分到底誰是人，那么被檢驗(yàn)的計(jì)算機(jī)就通過了測試，被認(rèn)為能夠“思維”。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展圖靈的預(yù)言沒有實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)雖然被叫做電腦，它們的表現(xiàn)仍和大腦相去甚遠(yuǎn)。幾十年來計(jì)算機(jī)的速度變快、容量增大、種類變多、應(yīng)用越來越廣泛，計(jì)算技術(shù)是否像一條青蟲，不斷長大，但是一直沒有羽化成蝶？伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能信息處理技術(shù)得到了飛速發(fā)展，上世紀(jì)50年代以后產(chǎn)生了模糊信息處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息融合等一批仿人智能信息處理方法，促進(jìn)了智能技術(shù)的發(fā)展。1.2智能信息處理技術(shù)的發(fā)展智能信息處理的發(fā)展與應(yīng)用，促進(jìn)了人工智能技術(shù)的發(fā)展，包括語言處理、自動(dòng)定理證明、智能數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、問題求解、人工智能方法、程序語言、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。40多年來，智能信息處理已經(jīng)顯示出強(qiáng)大威力，例如，計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)工具、下棋軟件、集成電路設(shè)計(jì)分析工具、人類自然語言合成、情報(bào)檢索、疾病診斷、太空飛行器測控、水下機(jī)器人測控等。1.3智能信息處理的應(yīng)用1976年7月，美國的阿佩爾（K.Appel）等人合作解決了長達(dá)124年之久的難題——四色定理。他們用三臺(tái)大型計(jì)算機(jī)，花去1200小時(shí)CPU時(shí)間，并對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行人為反復(fù)修改500多處。四色定理的成功證明曾轟動(dòng)計(jì)算機(jī)界。1.3智能信息處理的應(yīng)用1997年，DeepBlue的硬件系統(tǒng)采用了32節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由8片專用的處理器同時(shí)工作，這樣，系統(tǒng)由256個(gè)處理器組成了一個(gè)高速并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；研究小組又不斷完善了博弈的程序。DeepBlue發(fā)展為高水平的博弈大師，在國際象棋比賽規(guī)定的每步棋限時(shí)3分鐘里，可以推演1000-2000億步棋局。GarryKasparov的思考速度是200步/分。1997年5月11日，DeepBlue以3.52.5戰(zhàn)勝了GarryKasparov。1.3智能信息處理的應(yīng)用可量度:信息可采用某種度量單位進(jìn)行度量，并進(jìn)行信息編碼。如現(xiàn)代計(jì)算機(jī)使用的二進(jìn)制?？勺R(shí)別：信息可采取直觀識(shí)別、比較識(shí)別和間接識(shí)別等多種方式來把握。可轉(zhuǎn)換：信息可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)。如自然信息可轉(zhuǎn)換為語言、文字和圖像等形態(tài)，也可轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)或計(jì)算機(jī)代碼?？纱鎯?chǔ)：信息可以存儲(chǔ)。大腦就是一個(gè)天然信息存儲(chǔ)器。人類發(fā)明的文字、攝影、錄音、錄像以及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器等都可以進(jìn)行信息存儲(chǔ)。1.4信息的基本特征可處理：人腦就是最佳的信息處理器。人腦的思維功能可以進(jìn)行決策、設(shè)計(jì)、研究、寫作、改進(jìn)、發(fā)明、創(chuàng)造等多種信息處理活動(dòng)。計(jì)算機(jī)也具有信息處理功能?？蓚鬟f：信息傳遞是與物質(zhì)和能量的傳遞同時(shí)進(jìn)行的。語言、表情、動(dòng)作、報(bào)刊、書籍、廣播、電視、電話等是人類常用的信息傳遞方式?？稍偕盒畔⒔?jīng)過處理后，可以其他形式再生。如自然信息經(jīng)過人工處理后，可用語言或圖形等方式再生成信息。輸入計(jì)算機(jī)的各種數(shù)據(jù)文字等信息，可用顯示、打印、繪圖等方式再生成信息。1.4信息的基本特征可壓縮：信息可以進(jìn)行壓縮，可以用不同的信息量來描述同一事物。人們常常用盡可能少的信息量描述一件事物的主要特征?？衫茫盒畔⒕哂幸欢ǖ膶?shí)效性和可利用性?？晒蚕恚盒畔⒕哂袛U(kuò)散性，因此可共享。1.4信息的基本特征信息科學(xué)技術(shù)：信息社會(huì)的基石

自然界和人類社會(huì)的一切活動(dòng)都在產(chǎn)生信息。信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，是人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要資源。信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展改變了人們的生產(chǎn)、生活方式，真正實(shí)現(xiàn)了“天涯若比鄰”的理想。社會(huì)的各個(gè)部分通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接成一個(gè)整體，由高速大容量光線和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶地傳送信息，從而使社會(huì)信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)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個(gè)電子管組成的第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)誕生于MooreSchool，Univ.ofPennsylvania。大小：長24m，寬6m，高2.5m；速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：140kW；平均無故障運(yùn)行時(shí)間：7min信息處理面臨的問題：人類已經(jīng)進(jìn)入“信息化社會(huì)”、“數(shù)字化社會(huì)”；信息爆炸致使信息存量指數(shù)遞增。信息處理能力的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上信息量的增長；信息不但在量上呈爆炸趨勢，而且信息結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，處理越來越困難；信息越來越多，但是信息的利用率越來越低，人們被埋沒在數(shù)據(jù)和信息的海洋之中，不知所措；1.6信息處理面臨的問題與解決方法Internet的發(fā)展開拓了人類的“視界”和交流范圍，但無序成長和惡意產(chǎn)生的“垃圾信息”帶來了很多的問題；海量信息分布在廣闊的信息網(wǎng)絡(luò)上，各節(jié)點(diǎn)間為了使用它們必須相互通信，而且（活的）人參與其中，確定的、模糊的、連續(xù)的、時(shí)斷時(shí)續(xù)的、有規(guī)律的、隨機(jī)的……使問題更加復(fù)雜化；信息的安全問題：國家安全、銀行/金融系統(tǒng)的安全、個(gè)人通信的安全……信息處理速度問題。1.6信息處理面臨的問題與解決方法解決方法：在物理實(shí)現(xiàn)上不斷探求新思想、新原理和新方法，使各種信息領(lǐng)域元器件的性能不斷提高——電子技術(shù)；計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等的體系結(jié)構(gòu)和處理邏輯不斷改進(jìn)，發(fā)明和設(shè)計(jì)出各種新型的硬件系統(tǒng)；創(chuàng)造優(yōu)良的信息處理方法和高效的計(jì)算方法，不斷提高系統(tǒng)的處理效率；不斷創(chuàng)新，使軟件的理論和技術(shù)迅速改進(jìn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)切實(shí)可用的軟件系統(tǒng)，包括各種系統(tǒng)軟件、中間軟件、應(yīng)用軟件；1.6信息處理面臨的問題與解決方法實(shí)現(xiàn)信息在更廣闊的范圍內(nèi)快速、可靠、安全、隨時(shí)隨地地傳輸——通信技術(shù)；為不斷增長的、海量的、各種類型的信息提供快速、可靠和安全的存儲(chǔ)設(shè)備——存儲(chǔ)技術(shù)；研究人的視覺、聽覺、生理、心理等機(jī)制，以及大腦結(jié)構(gòu)和功能，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬，制造出機(jī)器感知和人工智能，使信息處理技術(shù)更加智能化——智能科學(xué)；

以上高新技術(shù)問題，正好都是我院老師和研究生正在學(xué)習(xí)和研究的問題，其中智能化的信息處理方法是本課程要學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容。1.6信息處理面臨的問題與解決方法智能信息處理技術(shù)是研究信息的獲?。ㄊ占⒈硎荆ńM織）、存儲(chǔ)、處理、傳輸（包括發(fā)送、路由、接收）、利用及其數(shù)學(xué)/物理/生物學(xué)理論的一門科學(xué)技術(shù)。智能信息處理技術(shù)是集數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)以及測控理論與技術(shù)于一體的交叉學(xué)科。1.7信息科學(xué)技術(shù)研究的基本內(nèi)容信息獲取的研究包括：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/符號(hào)表示；表示形態(tài)：靜態(tài)/動(dòng)態(tài)；表示介質(zhì)：聲、電、光、磁、量子、紙、視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等可感知物質(zhì)；組織形式：簡單信息/復(fù)雜信息。信息的存儲(chǔ)根據(jù)表示介質(zhì)的不同而有不同的存儲(chǔ)形式。1.7信息科學(xué)技術(shù)研究的基本內(nèi)容信息處理內(nèi)容十分廣泛，包括放大、去噪、去偽、濾波、排序、分類、聚類、檢索、計(jì)算、轉(zhuǎn)換、識(shí)別、判定、分析、綜合、決策等等。信息傳輸包括協(xié)議、編碼（打包）、調(diào)制、發(fā)送、路由、接收、解碼（解包）、解調(diào)、交換、通信的帶寬、誤碼率、可靠性、安全性和質(zhì)量（QOS）等等。信息利用的范圍也十分廣泛，它是比“信息處理”更高層次的信息應(yīng)用，包括控制、決策、預(yù)測、估計(jì)、優(yōu)化（尋優(yōu)）、監(jiān)視、可視化、監(jiān)聽、仿真、仿生、心理、生理等等。1.7信息科學(xué)技術(shù)研究的基本內(nèi)容信息技術(shù)的數(shù)學(xué)理論包括：信息論（編碼、度量、特性、傳播、可靠性等）；數(shù)理邏輯和算法論——計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和程序的數(shù)學(xué)理論；人工智能理論（知識(shí)處理、學(xué)習(xí)、機(jī)器人等）；計(jì)算智能（模糊計(jì)算、神經(jīng)計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算等）；數(shù)學(xué)建模理論；優(yōu)化的數(shù)學(xué)理論；通信協(xié)議的數(shù)學(xué)理論。1.7信息科學(xué)技術(shù)研究的基本內(nèi)容信息技術(shù)的物理學(xué)理論包括：電子學(xué)理論；量子理論/光量子理論；微電子學(xué)理論；納米電子學(xué)理論。1.7信息科學(xué)技術(shù)研究的基本內(nèi)容信息技術(shù)的生物學(xué)理論包括：生物信息論；遺傳學(xué)和基因理論；腦科學(xué)；生物物理學(xué)；生物化學(xué)。1.7信息科學(xué)技術(shù)研究的基本內(nèi)容摩爾定律即電子定律微電子制造工藝技術(shù)每3年前進(jìn)一代，集成電路的集成度翻兩番。超摩爾定律即光子定律光信息技術(shù)水平每9個(gè)月翻一番。邁特卡夫定律網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值以聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)的平方關(guān)系而增加。1.8信息領(lǐng)域的三定律1.8信息領(lǐng)域的三定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010半導(dǎo)體銷售量

1.8信息領(lǐng)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