計算機導論（第2版）（微課視頻版）課件 第12章 新技術領域

第12章新技術領域目錄2

第二節(jié)

大數據

第三節(jié)

云計算

第四節(jié)

物聯網

第五節(jié)

虛擬現實

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的類人智能技術、以及研究這樣的智能系統(tǒng)是否能夠實現與如何實現的科學領域。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，人工智能經歷了多次低谷與繁榮，研究方向大體可分為以下幾個領域演繹、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據中獲得知識，以便自動地判斷和輸出相應的結果。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域探討如何處理及應用自然語言，是人工智能和語言學領域的分支學科。運動和控制（機器人學）運動和控制領域關注如何設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。知覺知覺領域關注如何賦予人工智能系統(tǒng)以知覺，并據此判斷世界的狀態(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)就是此領域的一種應用。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這些目標。它們需要一種方法來創(chuàng)建一個可預測的世界模型，并能預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)造力領域關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，歷史顯然無法給出可靠的樂觀答案。9人工智能簡介現在的人工智能模型已經可以自動生成逼真的場景圖片10根據發(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，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執(zhí)行。這個測試的假設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用于深度神經網絡，這一網絡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，神經網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網絡的框架可以追溯到1980年福島邦彥提出的新認知機，而人工神經網絡的歷史更為久遠。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）的實驗室設計出了一個深層的卷積神經網絡（一種適用于圖像的人工神經網絡）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，以及神經網絡新組件的不斷發(fā)明，深度學習模型的可訓練參數越來越多，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域，深度學習都已取得極好的效果并已經進入商業(yè)化。15人工智能簡介深度學習第二節(jié)大數據大數據簡介大數據的特點大數據的應用大數據簡介大數據技術的發(fā)展可以分為六大方向大數據采集與預處理方向大數據存儲與管理方向大數據計算模式方向大數據分析與挖掘方向大數據可視化分析方向大數據安全方向大數據是一個不斷發(fā)展的概念，可以指任何體量或復雜性超出常規(guī)數據處理方法的處理能力的數據。數據本身可以是結構化、半結構化甚至是非結構化的。17大數據簡介Google上“大數據”一詞的搜索熱度18大數據簡介01這個方向最常見的問題是數據的多源和多樣性導致數據的質量存在差異，嚴重影響到數據的可用性。針對這個問題，目前很多公司已經推出了多種數據清洗和質量控制工具，如IBM公司的InfoSphereDataStage。大數據采集與預處理方向02這個方向最常見的挑戰(zhàn)是存儲規(guī)模大、存儲管理復雜，需要兼顧結構化、非結構化和半結構化的數據。分布式文件系系統(tǒng)和分布式數據庫相關技術的發(fā)展正在有效地解決這些方面的問題。在大數據存儲和管理方向，尤其值得我們關注的是大數據索引和查詢技術、實時及流式大數據存儲與處理的發(fā)展。大數據存儲與管理方向03由于大數據處理多樣性的需求，目前出現了多種典型的計算模式，包括大數據查詢分析計算(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據處理和應用需求的有效手段。大數據計算模式方向19Hadoop生態(tài)系統(tǒng)HadoopMapReduce的架構大數據簡介大數據簡介01在數據量迅速增加的同時，還要進行深度的數據分析和挖掘，并且對自動化分析要求越來越高。越來越多的大數據分析工具和產品應運而生，如用于大數據挖掘的RHaDoop版、基于MapReduce開發(fā)的數據挖掘算法等。大數據分析與挖掘方向02通過可視化方式來幫助人們探索和解釋復雜的數據，有利于決策者挖掘數據的商業(yè)價值，進而有助于大數據的發(fā)展。可視化工具Tableau的成功上市反反映了大數據可視化的需求。大數據可視化分析方向03當人們在用大數據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。文件訪問控制權限ACL、基礎設備加密、匿名化保護技術和加密保護等技術正在最大程度地保護數據安全。大數據安全方向21可視化工具Tableau大數據簡介222大數據的特點23IBM公司使用3V來描述大數據的特點Volume（體量）。通過各種設備產生的海量數據體量巨大，遠大于目前互聯網上的信息流量。Variety（多樣）。大數據類型繁多，在編碼方式、數據格式、應用特征等多個方面存在差異。Velocity（速率）。數據以非常高的速率到達系統(tǒng)內部，這就要求處理數據段的速度必須非常快。后來，IBM公司又在3V的基礎上增加了Value（價值）維度來表述大數據的特點，即大數據的數據價值密度低，因此需要從海量原始數據中進行分析和挖掘，從形式各異的數據源中抽取富有價值的信息。大數據的應用大數據在各行各業(yè)的應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)構建的下注和預測平臺沃爾瑪的搜索快餐業(yè)的視頻分析PredPol和預測犯罪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)云計算與大數據云計算簡介透過這項技術，網絡服務提供者可以在數秒之內，達成處理數以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網絡服務。云計算（CloudComputing），是分布式計算技術的一種，其最基本的概念，是透過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統(tǒng)經搜尋、計算分析之后將處理結果回傳給用戶。26云計算簡介27云計算中提供資源的網絡被稱為“云”。“云”中的資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（服務器、存儲器、CPU等）和軟件資源（應用軟件、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：基礎設施（Infrastructure）存儲（Storage）平臺（Platform）應用（Application）服務（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（SoftwareasaService，SaaS）平臺即服務（PlatformasaService，PaaS）基礎設施即服務（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)經營活動。軟件即服務（SaaS）02PaaS實際上是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務，以SaaS的模式提交給用戶。平臺即服務（PaaS）03在IaaS模式下，服務提供商將多臺服務器組成的“云端”服務（包括內存、I/O設備、存儲和計算能力等）作為計量服務提供給用戶?；A設施即服務（IaaS）30云交付模型除此之外，新興的容器即服務（ContainerasaService，CaaS）也稱為容器云，是以容器為資源分割和調度的基本單位，封裝整個軟件運行時環(huán)境，為開發(fā)者和系統(tǒng)管理員提供用于構建、發(fā)布和運行分布式應用的平臺。31第四節(jié)物聯網物聯網簡介物聯網的應用物聯網安全物聯網簡介物聯網技術的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡技術。在物聯網應用中有三項關鍵技術傳感器技術RFID嵌入式系統(tǒng)技術33物聯網的應用物聯網可以被用于多種多樣的領域，例如：農業(yè)：農業(yè)標準化生產監(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)、輸配電設備監(jiān)控、遠程抄表、企業(yè)一卡通服務業(yè)：個人保健、智能家居、智能物流、移動電子商務、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)物聯網安全物聯網系統(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，數據保密性，通訊層安全，數據完整性，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）網路相互連接組成的異構、多級、分布式網絡導致統(tǒng)一的安全體系難以實現“橋接”和過度。設備類型不一致導致安全信息的傳遞和處理難以統(tǒng)一設備可能無人值守，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量龐大，甚至未知的其他設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。多用戶單一實例服務器的SaaS模式對安全框架的設計提出了更高的要求。 目前對于物聯網安全的研究和產品開發(fā)仍處于起步階段。35第五節(jié)虛擬現實虛擬現實簡介虛擬現實的應用虛擬現實面臨的挑戰(zhàn)虛擬現實簡介虛擬現實（VirtualReality，VR），是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關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的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回產生臨場感虛擬現實系統(tǒng)的基本特征可以用三個i來形容：沉浸（immersion）交互（interaction）構想（imagination）37虛擬現實簡介環(huán)境建模技術立體聲合成和立體顯示技術觸覺反饋技術交互技術系統(tǒng)集成技術38虛擬現實是多種技術的綜合，其關鍵技術和研究內容包括以下幾個方面：虛擬現實簡介環(huán)境建模技術即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實際三維環(huán)境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環(huán)境模型。立體聲合成和立體顯示技術在虛擬現實系統(tǒng)中，消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關性，同時在復雜的場景中實時生成立體圖形。觸覺反饋技術在虛擬現實系統(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，從而產生身臨

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

增強現實（AugmentedReality,AR）

和混合現實（MixedReality,MR）40基于增強現實的3D渲染虛擬現實的應用虛擬現實在多種多樣的領域有著豐富的應用醫(yī)療：醫(yī)學生可以對虛擬的人體模型進行手術娛樂游戲：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，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：VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態(tài)的室內設計房產開發(fā)工業(yè)仿真與應急推演文物古跡建筑可視化41虛擬現實面臨的挑戰(zhàn)虛擬現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)塊鏈的應用區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈（blockchain）是用分布式數據庫識別、傳播和記載信息的智能化對等網絡,也稱為價值互聯網。狹義來講，區(qū)塊鏈是一種按照時間順序將數據區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，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)塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算方式。區(qū)塊鏈是是一連串包含信息的區(qū)塊。每個區(qū)塊包含了數據、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)塊的內容被篡改，該區(qū)塊的哈希值也會對應改變，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”的方法確保數據的真實性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技術，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。只有在控制了全網超過50%的記賬