計算機導論（第2版）（微課視頻版）課件 第12章 新技術(shù)領(lǐng)域

第12章新技術(shù)領(lǐng)域目錄2

第二節(jié)

大數(shù)據(jù)

第三節(jié)

云計算

第四節(jié)

物聯(lián)網(wǎng)

第五節(jié)

虛擬現(xiàn)實

第六節(jié)

區(qū)塊鏈

第七節(jié)5G

第一節(jié)

人工智能第一節(jié)人工智能人工智能簡介人工智能的發(fā)展階段圖靈測試深度學習人工智能（ArtificialIntelligence,，AI）亦稱機器智能，是指由人制造出來的機器所表現(xiàn)出來的智能。通常人工智能是指通過普通計算機程序的手段實現(xiàn)的類人智能技術(shù)、以及研究這樣的智能系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)與如何實現(xiàn)的科學領(lǐng)域。人工智能的核心問題包括如何賦予機器能夠比擬甚至超越人類的推理、知識、規(guī)劃、學習、交流、感知、移動和操作物體的能力等。人工智能簡介人工智能簡介自20世紀40年代始，人工智能經(jīng)歷了多次低谷與繁榮，研究方向大體可分為以下幾個領(lǐng)域演繹、推理和解決問題知識表示法規(guī)劃機器學習自然語言處理運動和控制（機器人學）知覺社交創(chuàng)造力倫理管理6人工智能簡介機器學習機器學習的主要目的是為了讓機器從輸入的的數(shù)據(jù)中獲得知識，以便自動地判斷和輸出相應(yīng)的結(jié)果。機器學習可以幫助減少錯誤率，提高解決問題的效率。自然語言處理自然語言處理領(lǐng)域探討如何處理及應(yīng)用自然語言，是人工智能和語言學領(lǐng)域的分支學科。運動和控制（機器人學）運動和控制領(lǐng)域關(guān)注如何設(shè)計并制造出承載人工智能系統(tǒng)的機器人，用來達成某種實用目的。知覺知覺領(lǐng)域關(guān)注如何賦予人工智能系統(tǒng)以知覺，并據(jù)此判斷世界的狀態(tài)。演繹、推理和解決問題早期的人工能研究人員直接模仿人類進行逐步的推理。到了20世紀八九十年代，人工智能研究還發(fā)展了非常成功的方法處理不確定或不完整的資訊。專家系統(tǒng)就是此領(lǐng)域的一種應(yīng)用。知識表示法如何存儲知識使其讓機器能夠處理并理解，是知識表示法的主要目標。規(guī)劃智能機器人必須能夠制定目標和實現(xiàn)這些目標。它們需要一種方法來創(chuàng)建一個可預(yù)測的世界模型，并能預(yù)測它們的行為將如何改變這個世界，這樣它們就可以選擇功效最大的行為。強化學習就是該領(lǐng)域的一個延伸方向。7人工智能簡介承載人工智能系統(tǒng)的機器人8人工智能簡介社交社交領(lǐng)域致力于情感分析，并賦予機器人以情感。創(chuàng)造力創(chuàng)造力領(lǐng)域關(guān)注如何賦予機器人以創(chuàng)造力。倫理管理針對人工智能的倫理討論由來已久?，F(xiàn)有事實是：機器常失控導致人員傷亡，這樣的情況是否會更加擴大規(guī)模出現(xiàn)，歷史顯然無法給出可靠的樂觀答案。9人工智能簡介現(xiàn)在的人工智能模型已經(jīng)可以自動生成逼真的場景圖片10根據(jù)發(fā)展階段，人工智能可由淺入深分為以下三類：弱人工智能。僅在單個領(lǐng)域擁有比擬或超過人類能力的人工智能程序。強人工智能。強人工智能可以像人類一樣應(yīng)對不同層面的問題。強人工智能被認為是有知覺、有自我意識的。目前，強人工智能仍遙不可及。超人工智能。超人工智能是一種愿景，它擁有能夠準確回答幾乎所有困難問題的先知模式，能夠執(zhí)行任何高級指令的精靈模式和能執(zhí)行開放式任務(wù)，而且擁有自由意志和自由活動能力的獨立意識模式。超人工智能將超過所有人類智能的總和。11人工智能簡介人工智能的發(fā)展階段圖靈測試是這樣建立的，由一位質(zhì)問者坐在一個房間中，用計算機終端與另外兩個回答者A和B通信。質(zhì)問者知道一位回答者是人，另一位回答者是計算機，但是不知道究竟哪個是人，哪個是計算機。分別與A和B交談之后，質(zhì)問者要判斷出哪個回答者是計算機。這一過程將由多個人反復(fù)執(zhí)行。這個測試的假設(shè)是如果計算機能瞞過足夠多人，那么就可以把它看作是智能的。12人工智能簡介人工智能的發(fā)展階段1989年，燕樂存（YannLeCun）等人開始將1974年提出的標準反向傳播算法應(yīng)用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這一網(wǎng)絡(luò)被用于手寫郵政編碼識別。盡管算法可以成功執(zhí)行，但計算代價非常巨大，神經(jīng)網(wǎng)路的訓練時間達到了3天，因而無法投入實際使用。許多因素導致了這一緩慢的訓練過程，其中一種是反向傳播中的梯度消失問題。因此深度學習沉寂了很長時間。深度學習框架，尤其是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的框架可以追溯到1980年福島邦彥提出的新認知機，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的歷史更為久遠。13人工智能簡介深度學習到了2012年，多倫多大學杰弗里·辛頓（GeoffreyHinton）的實驗室設(shè)計出了一個深層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（一種適用于圖像的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）AlexNet，奪得了當年的ImageNetLSVRC（一項大規(guī)模視覺識別挑戰(zhàn)賽）冠軍，打敗了傳統(tǒng)的機器學習與模式識別方法，且準確率遠超第二名。自此，深度學習迎來了大爆發(fā)。14人工智能簡介深度學習隨著硬件性能尤其是GPU的飛速發(fā)展，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新組件的不斷發(fā)明，深度學習模型的可訓練參數(shù)越來越多，效果越來越好。如今，在計算機視覺、語音識別、自然語言處理、音頻識別與生物信息學領(lǐng)域，深度學習都已取得極好的效果并已經(jīng)進入商業(yè)化。15人工智能簡介深度學習第二節(jié)大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)簡介大數(shù)據(jù)的特點大數(shù)據(jù)的應(yīng)用大數(shù)據(jù)簡介大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展可以分為六大方向大數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理方向大數(shù)據(jù)存儲與管理方向大數(shù)據(jù)計算模式方向大數(shù)據(jù)分析與挖掘方向大數(shù)據(jù)可視化分析方向大數(shù)據(jù)安全方向大數(shù)據(jù)是一個不斷發(fā)展的概念，可以指任何體量或復(fù)雜性超出常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法的處理能力的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)本身可以是結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化甚至是非結(jié)構(gòu)化的。17大數(shù)據(jù)簡介Google上“大數(shù)據(jù)”一詞的搜索熱度18大數(shù)據(jù)簡介01這個方向最常見的問題是數(shù)據(jù)的多源和多樣性導致數(shù)據(jù)的質(zhì)量存在差異，嚴重影響到數(shù)據(jù)的可用性。針對這個問題，目前很多公司已經(jīng)推出了多種數(shù)據(jù)清洗和質(zhì)量控制工具，如IBM公司的InfoSphereDataStage。大數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理方向02這個方向最常見的挑戰(zhàn)是存儲規(guī)模大、存儲管理復(fù)雜，需要兼顧結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。分布式文件系系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)的發(fā)展正在有效地解決這些方面的問題。在大數(shù)據(jù)存儲和管理方向，尤其值得我們關(guān)注的是大數(shù)據(jù)索引和查詢技術(shù)、實時及流式大數(shù)據(jù)存儲與處理的發(fā)展。大數(shù)據(jù)存儲與管理方向03由于大數(shù)據(jù)處理多樣性的需求，目前出現(xiàn)了多種典型的計算模式，包括大數(shù)據(jù)查詢分析計算(如Hive)、批處理計算(如HadoopMapReduce)、流式計算(如Storm)、迭代計算(如HaLoop)、圖計算(如Pregel)和內(nèi)存計算(如HANA)，這些計算模式的混合計算方法將成為滿足多樣性大數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用需求的有效手段。大數(shù)據(jù)計算模式方向19Hadoop生態(tài)系統(tǒng)HadoopMapReduce的架構(gòu)大數(shù)據(jù)簡介大數(shù)據(jù)簡介01在數(shù)據(jù)量迅速增加的同時，還要進行深度的數(shù)據(jù)分析和挖掘，并且對自動化分析要求越來越高。越來越多的大數(shù)據(jù)分析工具和產(chǎn)品應(yīng)運而生，如用于大數(shù)據(jù)挖掘的RHaDoop版、基于MapReduce開發(fā)的數(shù)據(jù)挖掘算法等。大數(shù)據(jù)分析與挖掘方向02通過可視化方式來幫助人們探索和解釋復(fù)雜的數(shù)據(jù)，有利于決策者挖掘數(shù)據(jù)的商業(yè)價值，進而有助于大數(shù)據(jù)的發(fā)展?？梢暬ぞ逿ableau的成功上市反反映了大數(shù)據(jù)可視化的需求。大數(shù)據(jù)可視化分析方向03當人們在用大數(shù)據(jù)分析和挖掘獲取商業(yè)價值的時候，黑客很可能在向我們攻擊，收集有用的信息。文件訪問控制權(quán)限ACL、基礎(chǔ)設(shè)備加密、匿名化保護技術(shù)和加密保護等技術(shù)正在最大程度地保護數(shù)據(jù)安全。大數(shù)據(jù)安全方向21可視化工具Tableau大數(shù)據(jù)簡介222大數(shù)據(jù)的特點23IBM公司使用3V來描述大數(shù)據(jù)的特點Volume（體量）。通過各種設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)體量巨大，遠大于目前互聯(lián)網(wǎng)上的信息流量。Variety（多樣）。大數(shù)據(jù)類型繁多，在編碼方式、數(shù)據(jù)格式、應(yīng)用特征等多個方面存在差異。Velocity（速率）。數(shù)據(jù)以非常高的速率到達系統(tǒng)內(nèi)部，這就要求處理數(shù)據(jù)段的速度必須非?？?。后來，IBM公司又在3V的基礎(chǔ)上增加了Value（價值）維度來表述大數(shù)據(jù)的特點，即大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)價值密度低，因此需要從海量原始數(shù)據(jù)中進行分析和挖掘，從形式各異的數(shù)據(jù)源中抽取富有價值的信息。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越頻繁與深入，如：梅西百貨的實時定價機制Tipp24AG針對歐洲博彩業(yè)構(gòu)建的下注和預(yù)測平臺沃爾瑪?shù)乃阉骺觳蜆I(yè)的視頻分析PredPol和預(yù)測犯罪24第三節(jié)云計算云計算簡介云交付模型云計算的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)云計算與大數(shù)據(jù)云計算簡介透過這項技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)，達成處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計算（CloudComputing），是分布式計算技術(shù)的一種，其最基本的概念，是透過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶。26云計算簡介27云計算中提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”?！霸啤敝械馁Y源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取?！霸啤卑擞布Y源（服務(wù)器、存儲器、CPU等）和軟件資源（應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境等），本地計算機只需要通過因特網(wǎng)發(fā)送一個需求信息，遠端就有成千上萬的計算機為用戶提供需要的資源并將結(jié)果返回給本地計算機。12云計算簡介云計算的組成可以分為六個部分，它們由下至上分別是：基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）存儲（Storage）平臺（Platform）應(yīng)用（Application）服務(wù)（Services）客戶端（Clients）28從用戶體驗角度來看，云計算主要分為三種交付模型軟件即服務(wù)（SoftwareasaService，SaaS）平臺即服務(wù)（PlatformasaService，PaaS）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（InfrastructureasaService，IaaS）29云交付模型云計算的三大交付模型云計算的三大交付模型云交付模型01SaaS是一種通過因特網(wǎng)提供軟件的模式，用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理企業(yè)經(jīng)營活動。軟件即服務(wù)（SaaS）02PaaS實際上是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務(wù)，以SaaS的模式提交給用戶。平臺即服務(wù)（PaaS）03在IaaS模式下，服務(wù)提供商將多臺服務(wù)器組成的“云端”服務(wù)（包括內(nèi)存、I/O設(shè)備、存儲和計算能力等）作為計量服務(wù)提供給用戶。基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）30云交付模型除此之外，新興的容器即服務(wù)（ContainerasaService，CaaS）也稱為容器云，是以容器為資源分割和調(diào)度的基本單位，封裝整個軟件運行時環(huán)境，為開發(fā)者和系統(tǒng)管理員提供用于構(gòu)建、發(fā)布和運行分布式應(yīng)用的平臺。31第四節(jié)物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)簡介物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)安全物聯(lián)網(wǎng)簡介物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有三項關(guān)鍵技術(shù)傳感器技術(shù)RFID嵌入式系統(tǒng)技術(shù)33物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)可以被用于多種多樣的領(lǐng)域，例如：農(nóng)業(yè)：農(nóng)業(yè)標準化生產(chǎn)監(jiān)測：、動物標識溯源、水文監(jiān)測工業(yè)：電梯安防管理系統(tǒng)、輸配電設(shè)備監(jiān)控、遠程抄表、企業(yè)一卡通服務(wù)業(yè)：個人保健、智能家居、智能物流、移動電子商務(wù)、機場防入侵公共事業(yè)：智能交通、平安城市、城市管理、環(huán)保監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生34智能物流系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)安全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全除了包含IT系統(tǒng)的8個安全尺度（讀取控制，隱私保護，用戶認證，不可抵賴性，數(shù)據(jù)保密性，通訊層安全，數(shù)據(jù)完整性，隨時可用性），還面臨著特有的挑戰(zhàn)：四大類（有線長、短距離和無線長、短距離）網(wǎng)路相互連接組成的異構(gòu)、多級、分布式網(wǎng)絡(luò)導致統(tǒng)一的安全體系難以實現(xiàn)“橋接”和過度。設(shè)備類型不一致導致安全信息的傳遞和處理難以統(tǒng)一設(shè)備可能無人值守，丟失，處于運動狀態(tài)，連接可能時斷時續(xù)，可信度差在保證一個智能物件要被數(shù)量龐大，甚至未知的其他設(shè)備識別和接受的同時，又要同時保證其信息傳遞的安全性和隱私權(quán)。多用戶單一實例服務(wù)器的SaaS模式對安全框架的設(shè)計提出了更高的要求。 目前對于物聯(lián)網(wǎng)安全的研究和產(chǎn)品開發(fā)仍處于起步階段。35第五節(jié)虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實簡介虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實面臨的挑戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實簡介虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR），是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身歷其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復(fù)雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回產(chǎn)生臨場感虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本特征可以用三個i來形容：沉浸（immersion）交互（interaction）構(gòu)想（imagination）37虛擬現(xiàn)實簡介環(huán)境建模技術(shù)立體聲合成和立體顯示技術(shù)觸覺反饋技術(shù)交互技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)38虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容包括以下幾個方面：虛擬現(xiàn)實簡介環(huán)境建模技術(shù)即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。立體聲合成和立體顯示技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關(guān)性，同時在復(fù)雜的場景中實時生成立體圖形。觸覺反饋技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，讓用戶能夠

直接操作虛擬物體并感覺到虛擬

物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨

其境的感覺。39基于增強現(xiàn)實的地點標注虛擬現(xiàn)實簡介交互技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人機交互遠遠超出了鍵盤和鼠標的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三位交互技術(shù)與語音識別、語音輸入技術(shù)成為重要的人機交互手段。系統(tǒng)集成技術(shù)由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重，包括信息同步技術(shù)、模型標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等。常和虛擬現(xiàn)實一同被提起的還有

增強現(xiàn)實（AugmentedReality,AR）

和混合現(xiàn)實（MixedReality,MR）40基于增強現(xiàn)實的3D渲染虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實在多種多樣的領(lǐng)域有著豐富的應(yīng)用醫(yī)療：醫(yī)學生可以對虛擬的人體模型進行手術(shù)娛樂游戲：豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具軍事航天：用VR技術(shù)，可模擬零重力環(huán)境，以取代標準的水下訓練宇航員的方法藝術(shù)：VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動態(tài)的室內(nèi)設(shè)計房產(chǎn)開發(fā)工業(yè)仿真與應(yīng)急推演文物古跡建筑可視化41虛擬現(xiàn)實面臨的挑戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)：沒有真正進入虛擬世界的方法如何互動缺乏統(tǒng)一的標準容易讓人感到疲勞看起來還是有點蠢42第六節(jié)區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈的應(yīng)用區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈（blockchain）是用分布式數(shù)據(jù)庫識別、傳播和記載信息的智能化對等網(wǎng)絡(luò),也稱為價值互聯(lián)網(wǎng)。狹義來講，區(qū)塊鏈是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義來講，區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算方式。區(qū)塊鏈是是一連串包含信息的區(qū)塊。每個區(qū)塊包含了數(shù)據(jù)、該區(qū)塊的哈希值以及前一個區(qū)塊的哈希值。哈希值可以理解為指紋，它唯一表示了區(qū)塊以及區(qū)塊中的內(nèi)容，在區(qū)塊創(chuàng)建時被計算出來。如果區(qū)塊包含的信息被改變，其對應(yīng)的哈希值也會發(fā)生變化。由于每一個區(qū)塊都記載了前一個區(qū)塊的哈希值（除了創(chuàng)世區(qū)塊），一旦某個區(qū)塊的內(nèi)容被篡改，該區(qū)塊的哈希值也會對應(yīng)改變，此時便會與下一個區(qū)塊對前一個區(qū)塊的哈希值記錄產(chǎn)生沖突換言之，改變一個區(qū)塊會使后面的所有區(qū)塊無效。區(qū)塊鏈就是使用這種“鏈式驗證”的方法確保數(shù)據(jù)的真實性44區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈具有以下的特性分布式賬本，即交易記賬由分布在不同地方的多個節(jié)點共同完成非對稱加密和授權(quán)技術(shù)，存儲在區(qū)塊鏈上的交易信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的共識機制。只有在控制了全網(wǎng)超過50%的記賬