人工智能通識基礎(chǔ) 課件 第3章 人工智能的研究領(lǐng)域

人工智能的研究領(lǐng)域第3章人工智能的研究領(lǐng)域涵蓋了多個(gè)核心方向，每個(gè)方向都側(cè)重于應(yīng)對特定的挑戰(zhàn)，賦予機(jī)器特定的能力，使機(jī)器能夠感知、理解、推理和決策，致力于讓機(jī)器具備類似人類甚至超越人類的智能。這些研究領(lǐng)域推動(dòng)了不同類型人工智能技術(shù)的發(fā)展，使機(jī)器不僅能與人類進(jìn)行自然互動(dòng)，還能在復(fù)雜的環(huán)境中自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)變化。本章主要介紹了人工智能的研究領(lǐng)域，包括自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺、智能語音處理、多模態(tài)融合和智能機(jī)器人等。自然語言處理智能語音處理計(jì)算機(jī)視覺多模態(tài)融合01020304目錄CONTENTS智能機(jī)器人0501自然語言處理自然語言通常指的是人類語言，是人類思維的載體和交流的基本工具，更是人類智能發(fā)展的外在體現(xiàn)形式之一。自然語言處理（NLP）主要研究用計(jì)算機(jī)理解和生成自然語言的各種理論和方法，屬于人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與語言學(xué)等的交叉學(xué)科。自然語言理解流程3.1.1自然語言理解自然語言理解（NaturalLanguageUnderstanding，NLU）研究如何讓計(jì)算機(jī)理解自然語言，并能夠執(zhí)行人類所期望的某些語言功能，包括理解并回答人們用自然語言提出的有關(guān)問題，生成文本摘要和對文本進(jìn)行釋義，把一種自然語言表示的信息自動(dòng)地翻譯為另一種自然語言等。3.1.2文本生成文本生成系統(tǒng)生成的科幻小說片段文本生成是指利用計(jì)算機(jī)模型根據(jù)給定的輸入信息自動(dòng)生成自然語言文本的過程。文本生成技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，包括機(jī)器翻譯、新聞生成、報(bào)告生成等。輸入信息可以是各種形式，如關(guān)鍵詞、主題、語義框架等。3.1.2文本生成自然語言文本特征通用語言文本特征：直觀特征、推斷特征、分布特征、關(guān)聯(lián)特征、多模特征。行業(yè)語言文本特征：文本撰寫格式固定，行文表達(dá)靈活；文本語法和語義特征復(fù)雜；文本跨語言分析困難；行業(yè)文本技術(shù)

性強(qiáng)。自然語言文本特征通用語言文本特征：直觀特征、推斷特征、分布特征、關(guān)聯(lián)特征、多模特征。行業(yè)語言文本特征：文本撰寫格式固定，行文表達(dá)靈活；文本語法和語義特征復(fù)雜；文本跨語言分析困難；行業(yè)文本技術(shù)

性強(qiáng)。n-gram模型的運(yùn)作流程3.1.2文本生成文本生成的方法基于規(guī)則的文本生成方法：這種方法基于預(yù)先定義的規(guī)則和模板來生成文本。適用于一些格式比較固定、內(nèi)容相對簡單的文本生成任務(wù)，如新聞報(bào)道、法律文書、產(chǎn)品說明書、天氣預(yù)報(bào)等。統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)文本生成方法：統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)文本生成方法主要有n-gram模型和隱馬爾可夫模型。基于深度學(xué)習(xí)的文本生成方法：詞嵌入（WordEmbedding）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體、Transformer架構(gòu)。3.1.2文本生成自然語言文本特征通用語言文本特征：直觀特征、推斷特征、分布特征、關(guān)聯(lián)特征、多模特征。行業(yè)語言文本特征：文本撰寫格式固定，行文表達(dá)靈活；文本語法和語義特征復(fù)雜；文本跨語言分析困難；行業(yè)文本技術(shù)

性強(qiáng)。文本生成的方法基于規(guī)則的文本生成方法：這種方法基于預(yù)先定義的規(guī)則和模板來生成文本。適用于一些格式比較固定、內(nèi)容相對簡單的文本生成任務(wù)，如新聞報(bào)道、法律文書、產(chǎn)品說明書、天氣預(yù)報(bào)等。統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)文本生成方法：統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)文本生成方法主要有n-gram模型和隱馬爾可夫模型?；谏疃葘W(xué)習(xí)的文本生成方法：詞嵌入（WordEmbedding）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體、Transformer架構(gòu)。隱馬爾可夫模型的運(yùn)作流程3.1.3語義分析詞義消歧詞義消歧（WordSenseDisambiguation，WSD）是指計(jì)算機(jī)通過上下文分析確定多義詞在句子中的具體含義。詞向量表示詞向量（WordVector）是詞嵌入的結(jié)果，即每個(gè)詞語在實(shí)數(shù)向量空間中的表示。常見的詞向量方法有Word2Vec、GloVe、FastText等。詞向量表示示意圖3.1.3語義分析詞義消歧詞義消歧（WordSenseDisambiguation，WSD）是指計(jì)算機(jī)通過上下文分析確定多義詞在句子中的具體含義。詞向量表示詞向量（WordVector）是詞嵌入的結(jié)果，即每個(gè)詞語在實(shí)數(shù)向量空間中的表示。常見的詞向量方法有Word2Vec、GloVe、FastText等?；谏疃葘W(xué)習(xí)的語義分析隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型（如BERT、GPT、RoBERTa等）在語義分析上表現(xiàn)十分出色。知識圖譜輔助的語義分析知識圖譜將語義分析與結(jié)構(gòu)化知識庫結(jié)合起來，使機(jī)器能夠利用已有的知識分析文本的深層含義。3.1.4情感分析情感詞典的構(gòu)建01基于特征的情感分析02基于深度學(xué)習(xí)的情感分析03情感分析中的情緒識別05細(xì)粒度情感分析04情感與語境的結(jié)合0602計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)視覺（ComputerVision）是人工智能領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究分支，旨在使機(jī)器具備“看”的能力，通過自動(dòng)分析和理解圖像或視頻數(shù)據(jù)，完成特定任務(wù)。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)涉及圖像獲取、圖像處理、特征提取、模式識別和深度學(xué)習(xí)等多個(gè)學(xué)科知識。隨著深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸應(yīng)用到身份識別、自動(dòng)駕駛、醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測等領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)和生活帶來了巨大的變革。3.2.1圖像分割語義分割是將圖像中的每個(gè)像素歸類到特定的類別，使每個(gè)像素都有語義標(biāo)簽的過程。語義分割被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域，通過識別行駛道路和障礙物的類型，幫助車輛做出正確的決策。語義分割實(shí)例分割是對圖像中每個(gè)物體實(shí)例進(jìn)行分割的過程，即不僅標(biāo)記物體的類別，還要區(qū)分同一類別中不同的個(gè)體。實(shí)例分割在場景理解和物體檢測中應(yīng)用廣泛。實(shí)例分割全景分割結(jié)合了語義分割和實(shí)例分割的優(yōu)點(diǎn)，即同時(shí)對圖像中的“物體”和“背景”進(jìn)行識別與分割。全景分割技術(shù)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜場景理解，使系統(tǒng)可以全面感知環(huán)境中的各個(gè)對象。全景分割圖像分割（ImageSegmentation）是指將圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域，并提出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。圖像分割技術(shù)的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)如下。全景分割示意圖（左為“輸入”圖，右為“輸出”圖）3.2.2目標(biāo)檢測目標(biāo)檢測（ObjectDetection）旨在識別圖像或視頻中的目標(biāo)物體，并標(biāo)注其位置。目標(biāo)檢測不僅要識別出物體的類別，還要框出物體的邊界位置。目標(biāo)檢測被廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、智能駕駛、行為識別等領(lǐng)域?；谏疃葘W(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），是一種專門為處理具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（如圖像、音頻）而設(shè)計(jì)的深度學(xué)習(xí)模型。基于CNN的常見目標(biāo)檢測算法主要包括以下內(nèi)容。R-CNN系列：其運(yùn)作機(jī)制基于一種分階段的處理流程。YOLO系列：其核心創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠在單次網(wǎng)絡(luò)推理過程中完成整個(gè)目標(biāo)檢測流程。SSD系列：單發(fā)多盒檢測器（SSD）采用了一種獨(dú)特的基于卷積特征金字塔的檢測架構(gòu)，該架構(gòu)可被視作構(gòu)建了一個(gè)多層次的特征金字塔體系，其中每一層特征圖都能針對不同尺寸的物體進(jìn)行位置預(yù)測。R-CNN運(yùn)作機(jī)制3.2.2目標(biāo)檢測基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），是一種專門為處理具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（如圖像、音頻）而設(shè)計(jì)的深度學(xué)習(xí)模型。基于CNN的常見目標(biāo)檢測算法主要包括以下內(nèi)容。R-CNN系列：其運(yùn)作機(jī)制基于一種分階段的處理流程。YOLO系列：其核心創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠在單次網(wǎng)絡(luò)推理過程中完成整個(gè)目標(biāo)檢測流程。SSD系列：單發(fā)多盒檢測器（SSD）采用了一種獨(dú)特的基于卷積特征金字塔的檢測架構(gòu)，該架構(gòu)可被視作構(gòu)建了一個(gè)多層次的特征金字塔體系，其中每一層特征圖都能針對不同尺寸的物體進(jìn)行位置預(yù)測。多目標(biāo)檢測多目標(biāo)檢測（Multi-ObjectDetection）是指在圖像或視頻中同時(shí)檢測多個(gè)物體的檢測技術(shù)。雖然多目標(biāo)檢測技術(shù)面臨著遮擋、視角變化等挑戰(zhàn)，但其可以借助非極大值抑制（NMS）和多尺度特征融合等技術(shù)，提升多目標(biāo)檢測的精度和穩(wěn)定性。目標(biāo)檢測（ObjectDetection）旨在識別圖像或視頻中的目標(biāo)物體，并標(biāo)注其位置。目標(biāo)檢測不僅要識別出物體的類別，還要框出物體的邊界位置。目標(biāo)檢測被廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、智能駕駛、行為識別等領(lǐng)域。3.2.3目標(biāo)識別目標(biāo)識別（ObjectRecognition）是在目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識別出物體的具體類別的過程。目前，目標(biāo)識別被廣泛應(yīng)用于人臉識別、指紋識別和商品識別等領(lǐng)域。人臉識別計(jì)算機(jī)在人臉識別任務(wù)中，首先會(huì)對輸入的人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理操作。之后，計(jì)算機(jī)會(huì)利用先進(jìn)的特征提取算法來獲取人臉的關(guān)鍵特征。在特征匹配階段，計(jì)算機(jī)將待識別的人臉特征向量與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的已知人臉特征向量進(jìn)行比對。指紋識別計(jì)算機(jī)在指紋識別過程中，先通過指紋采集設(shè)備獲取指紋圖像，然后對圖像進(jìn)行預(yù)處理。接著，計(jì)算機(jī)會(huì)提取指紋的特征點(diǎn)，如脊線、谷線的端點(diǎn)和分叉點(diǎn)等關(guān)鍵信息，并將這些特征點(diǎn)轉(zhuǎn)化為特定的特征模板。在識別時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)把待識別指紋的特征模板與數(shù)據(jù)庫中的已有指紋模板進(jìn)行匹配。商品識別計(jì)算機(jī)在進(jìn)行商品識別時(shí)，首先利用圖像采集設(shè)備獲取商品的圖像信息，然后對圖像進(jìn)行處理和分析，提取商品的關(guān)鍵特征，包括商品的形狀、顏色、包裝圖案及商品上的標(biāo)識文字等。計(jì)算機(jī)能夠?qū)⑻崛〉纳唐诽卣髋c商品數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行匹配。3.2.4目標(biāo)跟蹤目標(biāo)跟蹤（ObjectTracking）是指在視頻序列中持續(xù)跟蹤一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)。目標(biāo)跟蹤在智能監(jiān)控、自動(dòng)駕駛和視頻分析等場景中具有重要應(yīng)用價(jià)值。目標(biāo)跟蹤算法分為多種類型，主要包括單目標(biāo)跟蹤、多目標(biāo)跟蹤和視覺-運(yùn)動(dòng)融合跟蹤。3.2.5圖像理解圖像理解（ImageUnderstanding）是指對圖像進(jìn)行深層次的語義分析，使系統(tǒng)能夠“理解”圖像內(nèi)容的含義。圖像理解是完成高級計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如場景理解、圖像描述生成、視覺問答等。場景理解場景理解是指人工智能系統(tǒng)分析圖像或視頻中包含的場景信息的過程，如城市街道、室內(nèi)空間等。通過場景理解，系統(tǒng)可以識別出圖像中的物體關(guān)系和空間

布局。圖像描述

生成圖像描述生成是通過自然語言生成算法，為圖像生成符合人類理解的描述文字。圖像描述生成在視覺和語言融合方面有重要應(yīng)用，尤其在視覺輔助、智能搜索等領(lǐng)域，圖像描述生成能夠有效提升用戶體驗(yàn)。視覺問答視覺問答是一項(xiàng)基于圖像的問答技術(shù)，使系統(tǒng)能夠回答有關(guān)圖像內(nèi)容的問題。視覺問答應(yīng)用于智能客服、圖片搜索、教育輔助等場景，能夠使人工智能系統(tǒng)通過“理解”圖像信息來輔助人類回答問題。03智能語音處理智能語音處理是人工智能和自然語言處理領(lǐng)域的重要分支，其核心目標(biāo)是使機(jī)器具備識別、理解、生成人類語音的能力，從而實(shí)現(xiàn)更自然的人機(jī)交互體驗(yàn)。這一領(lǐng)域的研究涵蓋了語音識別、語音合成等技術(shù)。3.3.1語音識別語音識別是以語音為研究對象，通過語音信號處理和模式識別等技術(shù)讓機(jī)器自動(dòng)識別和理解人類的語言內(nèi)容。通俗地說，就是讓機(jī)器能聽懂人類說話?！袄卓怂埂保≧adio?Rex）玩具3.3.1語音識別語音識別的原理機(jī)器要識別出人類說的話，也需要進(jìn)行學(xué)習(xí)，這個(gè)過程被稱為訓(xùn)練。訓(xùn)練包括聲學(xué)模型訓(xùn)練和語言模型訓(xùn)練。聲學(xué)模型訓(xùn)練的目的是將聲音特征提取的參數(shù)轉(zhuǎn)換為有序的音素輸出，簡單來說就是把聲音信號對應(yīng)到單個(gè)文字的發(fā)音。語言模型訓(xùn)練的目的是根據(jù)聲學(xué)模型輸出的結(jié)果，根據(jù)組合的可能性大小給出文字序列。拼音輸入法給出的詞組排序3.3.1語音識別語音識別的原理機(jī)器要識別出人類說的話，也需要進(jìn)行學(xué)習(xí)，這個(gè)過程被稱為訓(xùn)練。訓(xùn)練包括聲學(xué)模型訓(xùn)練和語言模型訓(xùn)練。聲學(xué)模型訓(xùn)練的目的是將聲音特征提取的參數(shù)轉(zhuǎn)換為有序的音素輸出，簡單來說就是把聲音信號對應(yīng)到單個(gè)文字的發(fā)音。語言模型訓(xùn)練的目的是根據(jù)聲學(xué)模型輸出的結(jié)果，根據(jù)組合的可能性大小給出文字序列。語音識別的過程要想讓機(jī)器聽懂人類說的話，首先機(jī)器必須清楚人類說了哪些字、詞、句，這一步是語音識別需要完成的內(nèi)容。因?yàn)閹缀跛腥祟惖恼Z言都對應(yīng)有文字，而文字是容易編碼并被機(jī)器識別的，所以語音識別最核心的任務(wù)就是語音轉(zhuǎn)文字。簡單來說，語音識別是一個(gè)先編碼后解碼的過程，主要包括語音采集、預(yù)處理、特征提取和后處理。語音識別的過程3.3.2語音合成語音合成的原理要想讓機(jī)器像人類一樣說話，可以仿照人的言語過程模型，在機(jī)器中首先形成一個(gè)要講的內(nèi)容，它一般以表示信息的字符代碼形式存在；然后按照復(fù)雜的語言規(guī)則，將信息的字符代碼形式轉(zhuǎn)換成由基本發(fā)音單元組成的序列，同時(shí)檢查內(nèi)容的上下文，決定聲調(diào)、重音、必要的停頓等韻律特性，以及陳述、命令、疑問等語氣，并給出相應(yīng)的符號代碼表示。這樣組成的代碼序列相當(dāng)于一種“言語碼”。語音合成是一種將文本轉(zhuǎn)換為語音的技術(shù)。它把文字信息轉(zhuǎn)化為可聽的語音信號，使機(jī)器能夠像人一樣開口說話。例如，現(xiàn)在人們使用的語音導(dǎo)航軟件、有聲讀物軟件等都廣泛應(yīng)用了語音合成技術(shù)。發(fā)聲模型3.3.2語音合成語音合成的原理要想讓機(jī)器像人類一樣說話，可以仿照人的言語過程模型，在機(jī)器中首先形成一個(gè)要講的內(nèi)容，它一般以表示信息的字符代碼形式存在；然后按照復(fù)雜的語言規(guī)則，將信息的字符代碼形式轉(zhuǎn)換成由基本發(fā)音單元組成的序列，同時(shí)檢查內(nèi)容的上下文，決定聲調(diào)、重音、必要的停頓等韻律特性，以及陳述、命令、疑問等語氣，并給出相應(yīng)的符號代碼表示。這樣組成的代碼序列相當(dāng)于一種“言語碼”。語音合成是一種將文本轉(zhuǎn)換為語音的技術(shù)。它把文字信息轉(zhuǎn)化為可聽的語音信號，使機(jī)器能夠像人一樣開口說話。例如，現(xiàn)在人們使用的語音導(dǎo)航軟件、有聲讀物軟件等都廣泛應(yīng)用了語音合成技術(shù)。語音合成的過程音合成模型模仿的是人類的發(fā)聲系統(tǒng)。語音合成的過程一般由文本分析、韻律處理、聲學(xué)處理、聲碼器、語音片段挑選、語音后處理等組成。文本處理系統(tǒng)一般由獨(dú)立的自然語言處理模塊獨(dú)立完成，而語音合成系統(tǒng)則更注重在韻律模型、聲學(xué)模型、語音庫以及聲碼器幾方面的研究。語音合成的過程04多模態(tài)融合模態(tài)指的是信息的來源或形式。多模態(tài)融合是一種結(jié)合不同類型的數(shù)據(jù)（如文本、圖像、語音等）進(jìn)行分析和決策的技術(shù)，旨在使人工智能系統(tǒng)獲得對復(fù)雜環(huán)境的全