第7章 新信息技术（课件）《计算机应用基础（第三版）》（水利电力出版社）

新信息技术 第7章 1 7.4 7.5 人工智能 虚拟现实 本章导航 大数据时代 7.1 云计算 7.2 物联网 7.3 7.1 大数据时代 7.1 大数据时代 第7章 1 大数据的产生与发展 2 大数据的定义与特征 3 大数据的应用及影响 　　IT（在计算机技术上建立的信息技术）领域每隔15年就会迎来一次重大变革。 1．第三次信息化浪潮 　　1980年前后，个人计算机开始普及，以Intel、IBM、苹果、微软、联想等为代表的IT公司提供了优质的软硬件服务，为“信息处理”提供了强大的技术支持，使得计算机走入企业和千家万户，大大提高了社会生产力，也使人类迎来了第一次信息化浪潮。 7.1.1 大数据的产生与发展 　　在1995年前后，人类开始进入互联网时代，互联网的普及把世界变成“地球村”。涌现出了雅虎、谷歌、阿里巴巴、百度、腾讯等互联网综合服务公司，支撑起高速的“信息传输”平台，每个人都可以自由徜徉于信息的海洋，由此，人类迎来了第二次信息化浪潮。 　　2010年前后，云计算、大数据、物联网、人工智能快速发展，比以往更多的信息和更快的增长速度，使人类进入了“信息爆炸”时期，拉开了第三次信息化浪潮的大幕，亚马逊、阿里云等网络服务商相继涌现。大数据时代已经到来。 7.1 　　随着人类社会信息化进程的加快，特别是社交媒体和传感器网络的发展，日常生活、工作中产生大量的数据。这些数据推动着企业的发展，并使得各级组织的运营更为高效。 　　2010年以后，大数据应用逐步渗透各行各业，数据驱动决策，信息社会智能化程度大幅度提高。 2．大数据时代的发展 7.1.1 大数据的产生与发展 　　2011年，麦肯锡全球研究院发布了《大数据：下一个创新、竞争和生产力的前沿》报告： 　　“当今社会的信息量已经爆发式增长态势，大数据即将成为竞争、引发新一轮生产力增长及创新的关键点。” 　　从2015年开始，特别是近几年，经过对大数据技术进行不断思考、利用，使之进一步发展，进入到了真正使用大数据解决问题的时期。 　　云计算和物联网的出现，以及移动互联网的飞速发展，成为大数据产业发展的三大基石。 7.1 1．大数据的定义 7.1.2 大数据的定义与特征 　　大数据代表的是一种理念，一种问题解决的思路、一系列技术的集合。 　　不同于传统的抽样建模、简单的汇总、统计、分析找出群体共性，大数据是直接从全部数据中找出规律，通过数据的样本多样化弥补模型的准确性，从足够多的数据对个体进行刻画。 　　定义：大数据（Big Data）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。 7.1 　　各种传感器和摄像头遍布各处，时刻都在自动产生大量数据（生物大数据、交通大数据、医疗大数据、电信大数据、金融大数据等），“井喷式”增长，已经从TB级跃升到PB级，并会转向EB、ZB级，今后的数据量增长速度将更快。现在是一个“数据爆炸”的时代。 2．大数据的特征 7.1.2 大数据的定义与特征 （1）数据量大 （2）数据类型多样 （3）处理速度快 （4）价值密度低 　　大数据的数据类型丰富，包括来自网页、互联网日志、搜索索引、媒体论坛、电子邮件、手机通讯信息等结构化、半结构化和非结构化数据；文本、音频、视频、位置信息、链接信息、传感器数据等，数据种类繁多。 　　大数据时代的很多应用都需要基于快速生成的数据给出实时分析结果，用于指导生产和生活实践，如交通堵塞需要实时处理。因此，数据处理和分析的速度通常要达到秒级响应，如谷歌公司的Dremel可以在2~3s内完成PB级别数据的查询。 　　在大数据时代，很多有价值的优质可用信息都分散在海量数据中。某些小概率事件隐藏在海量数据中，需要每次数据分析之前“数据清洗”（如小区盗窃事件后的监控视频查询），这就对大数据的完整性、精确性、及时性、一致性、可用性提出更高的要求。 7.1 7.1.3 大数据的应用及影响 在科学研究方面，大数据使得人类科学研究在经历了实验、理论、计算三种范式之后，迎来了第四种范式——数据； 在思维方式方面，大数据具有“全样而非抽样、效率而非精确、相关而非因果”的三大显著特征，完全颠覆了传统的思维方式； 在社会发展方面，大数据决策逐渐成为一种新的决策方式，大数据应用促进了信息技术与各行业的深度融合，大数据开发大大推动了新技术和新应用的不断涌现。 在就业市场方面，大数据的兴起使得数据科学家成为热门人才； 在人才培养方面，大数据的兴起将在很大程度上改变我国高校信息技术相关专业的现有教学和科研体制。 1．大数据的影响 7.1 7.1.3 大数据的应用及影响 　　大数据应用无处不在，包括金融、汽车、餐饮、电信、能源、体育和娱乐等在内的社会各行各业，如天气查询、地图导航、资料查询、信息推广等都已经融入了大数据的印迹。大数据正在彻底改变着我们的生产、学习和生活。 2．大数据的应用 　　大数据发展仍面临着如成本、安全性、实时性等方面的挑战，亟待解决。当前，我国已把“互联网+”与大数据产业发展上升到国家战略，是我国社会未来的发展方向。 7.1 7.2 云计算 11 7.2 云计算 第7章 1 云计算的产生与发展 2 云计算的概念及特点 3 云计算的应用 7.2.1 云计算的产生与发展 　　随着互联网的普及，2006年8月谷歌在搜索引擎大会上，首次提出“云计算”的概念。 　　2007年，云计算引起计算机领域的关注，成为大型企业、互联网建设着力研究的方向。因为云计算的提出，互联网技术和IT服务出现了新的模式。 　　2008年，Google与台湾多所大学合作，启动“云计算学术计划”。微软发布云计算战略及云计算操作系统Windows Azure。 　　云计算在中国也掀起热潮，许多大型网络公司纷纷加入云计算的阵列。 　　2009年，阿里巴巴集团建立首个电子商务云计算中心——阿里云。中国移动启动云计算平台“大云”计划。云计算已经发展到较为成熟的阶段。 　　2018年，中国工信部发布《推动企业上云实施指南（2018—2020年）》，全面推动企业将信息系统向云平台迁移，支持企业利用云计算加快数字化、网络化、智能化转型，提出到2020年实现百万企业上云。 7.2 7.2.2 云计算的概念及特点 1．云计算的定义 　　云计算（Cloud Computing）是由规模经济拖动，为互联网上的外部用户提供一组抽象的、虚拟化的、动态可扩展的、可管理的计算资源能力、存储能力、平台和服务的一种大规模分布式计算的聚合体。 　“云”实质上指互联网。云计算就是以互联网为中心，在网站上提供安全、快速的云计算服务及数据存储，让每个用户都可以使用互联网上庞大的计算资源与数据中心。 7.2 7.2.2 云计算的概念及特点 2．云计算的特点 （1）数据安全可靠 （2）客户端需求低 （3）轻松共享数据 （4）可能无限多 　　云计算提供最可靠、最安全的数据存储中心，用户不必担心数据丢失、病毒入侵等麻烦。 　　云计算对用户端的设备要求最低，使用起来也最方便。 　　云计算可以轻松实现不同设备之间的数据与应用共享。 　　云计算为用户存储和管理数据提供无限多的空间，为完成各类应用提供无限强大的计算能力。 7.2 　　存储云又称云存储，是在云计算技术上发展起来的一个新的存储技术，是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。用户可以将本地资源上传至云端，可以在任何时间地点连入互联网来获取云上的资源。如：中国的百度云、微云。 7.2.3 云计算的应用 （1）存储云 （2）教育云 （3）医疗云 （4）金融云 　　教育云是教育信息化的一种发展，教育云可将任何教育硬件资源虚拟化，并将其传入互联网，从而向学校和学生、教师提供一个方便快捷的平台。如，大规模开放在线课程——慕课（MOOC）就是教育云的一种应用。 　　医疗云是指在云计算、多媒体、移动技术、大数据、物联网等新信息技术基础上，结合医疗技术，使用云计算来创建医疗健康服务云平台，实现医疗资源的共享，从而扩大医疗范围，提高医疗机构的效率，方便居民就医。如，现在医院的预约挂号、电子病历、医保等等。 　　金融云指将各金融机构及相关的数据中心互联互通，为银行、保险、证券等金融机构提供互联网处理和运行、资源共享服务，从而为客户提供更便捷的金融服务，并降低运营成本，提升行业效率。如，阿里金融云、腾讯金融科技、苏宁金融等金融云服务，助推了国内快捷支付的普及。 7.2 7.3 物联网 7.3 物联网 第7章 1 物联网的概念与特点 2 物联网的应用 7.3.1 物联网的概念与特点 1．物联网的定义 　　物联网（Internet of Things,IoT）即“万物相连的互联网”。是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。 　　物联网不同于互联网，互联网主要是构建一个全球性的计算机通信网络，而物联网则是从应用出发，在传感器网络的基础上，利用互联网、无线通信网络资源进行业务信息的传送。 7.3 （1）全面感知 7.3.1 物联网的概念与特点 2．物联网的特点 （2）可靠传递 （3）智能处理与决策 　　物联网利用射频识别（RFID）技术、传感器技术、二维码等手段随时随地获取物体的信息，对物体数据的采集方式可以多点化、多维化、网络化。 　　不仅对单一现象或目标进行多方面的观察获得综合的感知数据，也对现实世界各种物理现象普遍感知。 　　通过各种承载网络，包括互联网、电信网等公共网络，电网、交通网等专用网络，建立起物联网内实体间的广泛互联。各种物体经由多种接入模式实现异构互联，形成“网中网”的形态，将物体信息实时、准确地相互传递。 　　利用云计算、模糊识别、数据融合等智能技术，对感知和传送到的海量数据和信息进行智能化的分析处理、监测、控制。 　　主要体现在物联网中从感知到传输，再到决策应用的信息流，并最终为控制提供支持，也广泛体现出物联网中大量的物体和物体之间的关联和互动。 7.3 7.3.2 物联网的应用 　　（1）在工业、农业、环境、交通、物流、安保等基础设施领域的应用，有效地推动了智能化发展，使有限的资源更加合理地得到使用分配，从而提高行业效率、效益。 　　如将公交刷卡设备接入物联网，实时获取到真实的交通数据，可为大数据分析工具提供实时路况信息，便于提出最佳的交通调节方案，利于人们选择最佳出行路线。 　　（2）在家居、医疗健康、教育、金融及服务业、旅游业等与生活息息相关领域的应用，从服务范围、服务方式到服务质量都有极大的改进，大大地提高了人们的生活质量。 　　如把存取款机接入物联网，通过大数据软件对其使用状况进行监测和分析，及时判断补充现金的最佳时刻，给出运钞车提供最佳配送方案，从而大幅降低运营成本。 　　（3）在国防军事领域，大到卫星、导弹、飞机、潜艇等装备系统，小到单兵作战装备，都可以嵌入物联网技术，有效地提升军事智能化、信息化、精准化，提升军事战斗力，是未来军事变革的关键。 7.3 7.4 人工智能 7.4 人工智能 第7章 1 人工智能的定义 2 人工智能的发展与影响 3 人工智能的应用 　　人工智能（Artificial Intelligence,AI）是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。 7.4.1 人工智能的定义 　　人工智能是计算机科学的一个分支，研究包括知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面。 　　区分AI与传统编程的关键是“智慧”。非AI程序只能执行一个预定义的指令序列；而AI算法可以学习知识、感知环境、理解自然语言、进行逻辑推理和解决问题。 7.4 　　 “人工智能”一词的提出：1956年美国达特茅斯学会上首次提出，标志着人工智能这门学科的正式诞生。 7.4.2 人工智能的发展与影响 1．人工智能的产生与发展 　　1997年IBM公司“深蓝”超级计算机击败了国际象棋冠军卡斯帕罗夫，更是人工智能技术的一个完美展现。 　　进入21世纪，随着大数据和云计算技术的不断进步，深度学习领域的突破，人工智能的发展迎来了黄金时代。 　　围棋机器人AlphaGo，先后战胜围棋世界冠军李世石、柯洁，2017年10月，完全基于强化学习的最强版AlphaGo Zero又战胜了AlphaGo。 　　人工智能正在全球呈现加速突破、应用驱动的新趋势，成为国际竞争的新焦点。 7.4 7.4.2 人工智能的发展与影响 2．人工智能的影响 （1）对自然科学的影响 （2）对经济的影响 　　在需要使用计算机作为工具解决问题的学科，人工智能发挥巨大作用。 （3）对社会的影响 　　人工智能深入各行各业，能够提高生产率，带来巨大宏观效益。促进以人工智能为代表的第四代工业革命快速发展。 　　人工智能为人类文化生活提供新的模式。如，人形机器人、语言及图像识别等人工智能产品已融入人们工作和生活。 7.4 7.4.3 人工智能的应用 （1）家居 （2）零售 （3）交通 （4）医疗 （5）教育 （6）安防 　　智能家居是基于物联网技术、云计算平台，由智能硬件、软件系统构成的一套完整的家居生态圈。智能设备间互联互通，并能进行自我学习，整体优化。人们可以远程控制设备，充分享受智能家居环境的便捷性。如智能音箱就是倍受喜爱的智能家居产品之一。 　　人工智能已广泛应用于商品零售、物流、餐饮等领域，如无人超市、无人仓等。无人仓采用众多智能物流机器人协同配合，通过大数据应用、人工智能的图像智能识别、深度学习等技术，使物流机器人进行自主的判断和行为，完成商品分拣、运输、出库等复杂任务的自动化。 　　智能交通系统是将先进的信息技术、传感器技术、电子控制技术、数据通信技术、人工智能等技术综合运用于交通运输、公交运营、电子收费、出行信息服务、应急管理等领域。如船舶自动导航、地铁运营、无人驾驶汽车、航线规划等方面给人们出行带来极大的方便。 　　当前，人工智能在医疗领域的应用已能基本满足医疗行业的需求，如智能医学影像可以快速筛查病灶，智能服药系统能自动提示用药时间、服用禁忌、剩余药量等，人工智能医疗诊断系统在提高就医效率、辅助诊疗、疾病预测等方面发挥重要作用。 　　在教育领域应用人工智能技术，可以改善师资分布不均衡、降低学习费用，提供更有效率的学习方式。如利用人工智能的图像识别技术可以机器批卷，通过语音识别可以纠正发音，人机交互可以在线答疑。 　　有了实时联网的天网监控系统，利用以计算机视觉为核心的智能安防技术，能够预防和追查罪犯；智能安防还可以助力电信诈骗数据锁定、消防抢险等等。 （7）其他 　　人工智能还有很多领域的应用，如金融行业的人脸识别，电商平台上的智能客服，工业流水线上的机器人等等。 　　未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。 7.4 7.5 虚拟现实 7.5 虚拟现实 第7章 1 认识虚拟现实技术 2 虚拟现实的发展历程 3 虚拟现实的应用 　　虚拟现实技术（Virtual Reality,VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的交互式计算机仿真系统，它利用高性能计算机生成一种三维空间的模拟环境，通过视觉、听觉、触觉等信息传播手段作用于用户，使之沉浸其中，产生身临其境的感觉。 1．虚拟现实技术 7.5.1 认识虚拟现实技术 谷歌眼镜 　　VR就是虚拟和现实相互结合。VR技术集成了计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术、多媒体技术、人工智能、网络通信等技术，模拟出现实中的世界，通过传感装置、空间跟踪、声音跟踪、视频跟踪等方式与用户互动。 7.5 2．虚拟现实技术的特征 7.5.1 认识虚拟现实技术 （1）沉浸性 （2）交互性 （3）多感知性 　　沉浸性是VR技术最主要的特征，指用户作为主角存在于虚拟现实环境中的真实程度。 　　用户戴上头戴式显示器、数据手套等传感交互设备，将自身置于虚拟环境中，当用户感知到视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等刺激时，便会产生身临其境的感觉。 　　交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度，以及从环境得到反馈的自然程度。 　　现实系统中的人机交互是一种近乎自然的互动。计算机能够根据用户的头、眼、手、身体的运动及语言来调整系统呈现的声音及图像，用户通过自然语言、身体动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行操控。 　　多感知性是指虚拟现实系统具备初步的人工智能逻辑分析能力。 　　理想的虚拟现实系统应具有人所具有的一切感知功能，视、听、触、动觉的传感及反应装置，使用户在虚拟环境中，通过人机交互可获得听觉、视觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。 7.5 7.5.2 虚拟现实的发展历程 （1）VR技术的准备阶段 （2）VR技术系统化阶段 （3）VR技术全面发展阶段 （4）VR技术逐渐民用化 （5）VR技术第五阶段 　　从计算机诞生到70年代，实现了有声形动态的模拟。 　　1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama，被称为世界上第一台VR机器。 　　80年代初到中期，VR技术由实验室进入实用阶段，VPL公司首次提出虚拟现实的概念，开发出DataGloves传感手套，和用于生成虚拟现实的RB2软件，为虚拟现实提供了开发工具。 　　80年代末到90年代初，随着高性能计算机以及游戏和视频显示技术的迅速进步，出现了各种交互设备，软件开发环境也不断完善。 　　90年代末至21世纪初，在计算机运算能力的支持下，VR技术逐步由军用过渡到民用领域。 　　随着VR技术所需的各个基础科技逐步突破和成熟，VR技术开启了飞跃发展的步伐。 　　2012年谷歌发布了谷歌眼镜，2015年微软发布一款能将计算机生成的图像叠加到用户周围世界中的头戴式虚拟现实设备HoloLens 。 7.5 7.5.3 虚拟现实的应用 （1）军事应用 （2）医疗应用 （3）教育应用 （4）设计应用 （5）农业应用 　　利用VR技术的强大的三维场景建模能力，以及仿真画面和环境，将平面地图上的山川地貌、海洋湖泊等数据，构建成虚拟的三维战场环境，有助于无人机战略，指挥官远程实时指挥，军事演习训练，通过虚拟现实网络，进行全实时协同作战。 （6）影视娱乐应用 （7）航空航天应用 　　VR技术带给医疗行业历史性的进步。基于图像采集和网络传输，使得远程医诊变得更加快捷。医生们也可以在手术前，先虚拟出病人的身体组织和器官，在虚拟空间中先进行手术预演，从而大大提高手术的成功率。 　　VR技术已经成为促进教育发展的一种新型教育手段。利用VR技术可以帮助学生打造生动、逼真的学习环境，使学生通过“真实”感受来增强记忆，从而促进学生自主学习，激发学生的学习兴趣。 　　VR技术推动了工业设计的进步。虚拟设计可用于产品的研发，直接在虚拟环境中完成工业产品的设计，大大提升工业效率。装潢设计师可以将自己的想法通过VR技术模拟出来，预先看到室内的设计效果，既节省时间又降低成本。 　　随着信息技术的不断发展和进步，VR技术已逐步渗透到农业生产，通过虚拟动物、虚拟植物、虚拟立体农业，精准地反映现实动植物的形态结构，以及农业的优化管理。 　　VR技术在影视业广泛应用，3D虚拟影像撷取和动作捕捉技术方式，以及VR模拟产生的三维虚拟世界，令观众沉浸在虚拟现实生成的全景视频里，人们可以做自已的主宰，随心所欲。在网络游戏的VR中，头戴式显示器是虚拟游戏的必备物品之一，用户可以亲自浸入到游戏中。 　　由于航空航天是一项耗资巨大，非常繁琐的工程，所以利用VR技术，在虚拟空间中重现现实中的航天飞机与飞行环境，使飞行员在虚拟空间中进行飞行训练和实验操作，能够极大地降低实验经费和实验危险系数。 （8）其他领域应用 　　虚拟现实技术还可以应用于科学研究、数字地理测绘、商品推荐、旅游体验等诸多领域。 7.5 　　21世纪的人类社会是信息化社会，是移动互联网时代的智慧社会，以信息技术为主要标志的高新技术产业将为人类的生活和工作提供越来越多的全新的信息服务。 第7章结束 第7章 $$