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1、第01章：信息科学概论本讲稿第一页，共二十八页第第1章：信息科学概论章：信息科学概论1.1信息科学信息科学 信息科学的定义：信息科学的定义：是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律为主要研究内容，以信息科学方法论为主要研究方法，以扩展人的信息功能为主要研究目标的一门科学。信息科学的研究内容：信息科学的研究内容：是研究信息的获取、表示、传输与存储、处理与利用的一门科学技术。本讲稿第二页，共二十八页信息的产生：世界客体对象的变化与相互作用过程产生信息。信息的获取：对世界认识的主体直接对客体的感知过程。信息由信号来表示，信号是信息的载体，信息蕴藏在信号之中。信息处理：对信号进行加工、变化、运算来产生
2、新的信号或信息的方法。信息的传输与存储：传输解决的问题是把信息从甲地送到乙地，存储则是把信息从A时传输到B时。本讲稿第三页，共二十八页1.1信息科学信息科学信息科学的特点：信息科学的特点：信息科学以数学/物理/生物学等基本理论为基础，是一门集数学、物理学、电子学、通信技术、计算机科学与技术、智能科学技术以及控制理论与技术等于一体的交叉学科。信息科学反映的是认识主体的事物（人）与被认识对象（事物的客体）之间的相互作用关系的一门科学。本讲稿第四页，共二十八页1.2信息技术信息技术信息的定义信息的定义 信息是认识主体所感知的或所表述的客观事物运动的状态和状态改变方式。运动分为内部运动与外部运动；内部
3、运动指事物内部结构状态及其变化；外部运动指事物外部的联系及其相互作用。客观事物即指外部客观世界的实在客体，又指主观世界的精神现象。信息具有普遍存在性：自然界，人类世界，思维中，有事务就有运动。本讲稿第五页，共二十八页1.2信息技术信息技术信息、物质、能量三者之间的关系信息、物质、能量三者之间的关系 信息与物质：物质是信息的载体，物质的运动是信息的源泉，信息是物质运动状态和状态改变方式的表现形式。信息与能量：传递信息需要能量，驾驭能量需要信息，信息是事物运动状态和状态改变方式，能量是事物做功的本能，也是事务运动的源泉。本讲稿第六页，共二十八页1.2信息技术信息技术同时考虑事物运动状态及其变化方式
4、的外在形式、内在含义和效用价值的认识论层次信息称为全信息全信息。全信息由语法信息、语义信息、语用信息三个方面构成。语法信息语法信息是信息的形式因素部分；语义信息语义信息是信息的内容因素部分；语用信息语用信息是信息的效用因素部分。本讲稿第七页，共二十八页1.2信息技术信息技术信息技术信息技术 信息技术就是能够扩展人类信息器官功能的各种技术的总称，是涉及信息的生产、获取、检测、识别、变换、传递、处理、存储、显示、控制、利用和反馈等信息活动的所有技术的集合。信息技术以扩展人类信息器官功能为目标，以完成信息获取、传输/存储、加工/处理、再生和施用等技术领域。信息技术以拟人律为其基本特征，以辅人律为其发
5、展目标，以人机共生律为其最终发展结果。本讲稿第八页，共二十八页1.2信息技术信息技术信息科学以感测技术、通信技术、计算机技术与智能计算技术、控制技术四大研究领域为主要研究领域。其中，感测技术主要研究传感、测量、遥感、遥测等信息获取技术；通信技术主要研究信息传递、交换和分配技术，其目的是克服空间限制，有效利用信息。计算机技术和智能计算技术主要研究人工智能、智能信息处理，信息加工、再生和决策；控制技术则研究根据决策信息对外部事物运动状态实施干预的方法与手段。本讲稿第九页，共二十八页1.2信息技术信息技术感测技术、通信技术、信息处理技术和控制技术就是信息技术的典型代表。目前信息处理技术的典型代表是计
6、算机技术。通信技术与计算机技术是信息技术的核心部分。感测技术与控制技术则是核心部分与外部世界的信源与信宿相联系的接口。本讲稿第十页，共二十八页1.2信息技术信息技术感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术称为信息技术的主体技术。由于收集(Collection)、通信(Communication)、计算机(Computer)和控制(Control)的英文第一个字母均为“C”，故称信息技术为“xC”技术。如：“2C”技术、“3C”技术、“4C”技术。支撑技术处于信息技术体系的第二层，主要是指机械技术、电子技术、激光技术、空间技术和生物技术等。基础技术处于信息技术体系的最底层，主要指新材料、新能源技
7、术等，信息技术在性能、水平等方面的提高有赖于这两类技术的进步。本讲稿第十一页，共二十八页1.3信息工程信息工程工程是将自然科学原理在工、农业生产过程中的实现方法的总称。工程是在理论指导下的技术实现，主要指科学技术的开发与应用。狭义工程定义为：以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个或某些现有实体转化为具有预期使用价值的人造产品过程。广义工程定义为：由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。本讲稿第十二页，共二十八页1.4信息科学面临的主要问题信息科学面临的主要问题基于冯诺依曼体系结构的计算机的特点是基于总线的串行存储结构，与人类或
8、智能生物问题求解的并行神经网络体系不同，求解问题是基于数值计算的，对声音、图像等现实世界信息的感知过程、原理、方法等问题无法解决，基于数值计算的模式处理方法解决不了许多基本问题，如语义和语言环境的矛盾，视觉信息的难于计算性，模式判决的模糊推理过程等。第五代智能计算机的研究目标（智能计算的目标）是：研究制造出一种拟人的、能够用接近人的方式感知客观世界，并能够用接近人的方式与人类进行信息交流的，具有类似于人类的思维能力的智能系统。本讲稿第十三页，共二十八页1.4信息科学面临的主要问题信息科学面临的主要问题形象化思维问题也是信息科学发展的一个难于解决的问题。类推与学习问题一直是科学家关注的问题。人们
9、设计一台机器，通过编程把人的思想和理念（或者说处理问题的方法）交给机器。此时，编程思想从交给让机器怎样工作转变为让机器去学习怎样工作，编程的目标是教给机器学习的方法。本讲稿第十四页，共二十八页1.4信息科学面临的主要问题信息科学面临的主要问题时受限问题也是困扰人们的问题，信息的巨量性与计算能力的有限性使信息处理的能力受到时间限制，实时性难于得到保证，计算能力有限。一方面是信息爆炸，信息量指数递增，而信息处理能力增长远远赶不上信息量的增长。信息在量上呈爆炸趋势的同时信息结构变的越来越复杂，处理也越来越困难。本讲稿第十五页，共二十八页“图灵机”和“图灵测试”图灵机是一个抽象的机器，它有一条无限长的
10、纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于此人当前所关注的纸上某个位置的符号和此人当前思维的状态。本讲稿第十六页，共二十八页“图灵机”和“图灵测试”图灵测试是图
11、灵提出的一个关于机器人的著名判断原则。图灵测试是一种测试机器是不是具备人类智能的方法。被测试的有一个人，另一个是声称自己有人类智力的机器。测试时，测试人与被测试人是分开的，测试人只有通过一些装置（如键盘）向被测试人问一些问题，这些问题随便是什么问题都可以。问过一些问题后，如果测试人能够正确地分出谁是人谁是机器，那机器就没有通过图灵测试，如果测试人没有分出谁是机器谁是人，那这个机器就是有人类智能的。目前还没有一台机器能够通过图灵测试，也就是说，计算机的智力与人类相比还差得远呢，比如自动聊天机器人。同时图灵试验还存在一个问题，如果一个机器具备了“类智能”运算能力，那么通过图灵试验的时间会延长，那么
12、多长时间合适呢，这也是后继科研人员正在研究的问题。本讲稿第十七页，共二十八页“图灵测试”本讲稿第十八页，共二十八页智能人机接口技术 智能人机接口又简称为多模智能接口，是为建立和谐的人机交互环境，以智能的方式使人与机器之间的信息交流能够以类似人与人之间的信息交流一样自然、方便，它对于改善人机交互的友好性，提高人们对智能系统的应用水平，促进相关产业的发展都具有重要意义。是智能计算机（intelligent computers）又称为第五代计算机技术研究的重点领域之一。本讲稿第十九页，共二十八页智能人机接口技术智能人机接口（Intelligent Interface）的含义包括：（1）它是最终用户、
13、领域专家和知识工程师与知识源之间的中间媒介；（2）它包含计算机硬件和软件；（3）具有智能特性，即能实现中间人（专家）所能完成的相同功能。这个定义表明，首要的关键问题是识别和描述专家在信息处理中的认知功能、所用的知识和技能，然后才能发展模拟这些功能的软件。本讲稿第二十页，共二十八页智能人机接口技术一般来说，智能接口具有以下主要特征：（1）具有智能特性。应用人工智能技术（如知识表示、语言理解、推理和学习等）模拟专家处理信息的认知功能，有效地执行若干认知活动，如问题分析、信息分类与模式发现、结构化模型、决策处理等；能够从用户模型和领域模型推导知识、解释提问和补充回答以及提供启发式策略指导用户。（2）
14、具有丰富专家知识和用户知识等。（3）具有较强的自然语言通讯和图形显示功能。本讲稿第二十一页，共二十八页智能人机接口技术智能接口应实现以下主要任务：（1）问题描述。接受用户的问题及其它信息，进行一定的分析与理解，明白用户的需求、识别用户提供的微概念、解释和表达问题，最后产生需求模型或其它内部形式。问题描述包括两项工作：一是自然语言处理，对输入信息的语法和语义分析处理；二是利用专家处理信息问题的认知方法，将语言理解的结果加工为需求模型（内部形式）。（2）系统回答的表达与解释。就是将系统提出的问题或回答用户的问题、推理结果及对结果的解释等进行逆转换，以用户可以理解的形式输出给用户。本讲稿第二十二页，
15、共二十八页智能人机接口技术（3）会话管理。会话管理问题可以分为两个部分。一部分是会话总体结构的控制。这一部分描述会话的控制方式或执行计划，决定问什么问题，由谁（用户或系统）在何时问或答。另一部分是确定会话语言。（4）知识获取。通过用户的交互对话，获取系统所需要的知识，这里主要讨论获取用户知识，建立用户模型。（5）分析和理解问题，就是弄清和解释用户问题状态或用户异常知识状态的主题和上下文。本讲稿第二十三页，共二十八页智能计算机可能的发展思路（1）进一步发展计算能力。发展计算能力包括发展新的器件，如光计算器件、量子计算器件等；或者走并行计算之路，采用多CPU结构构造实际系统。（2）开辟新技术途径。
16、如进一步发展仿生技术，采用仿人或仿生物的智能原理实现新的智能原理；发展人工神经网络技术，扩大人工神经网络的规模，探索新的神经网络工作机制。本讲稿第二十四页，共二十八页智能计算机可能的发展思路（3）发展新的计算理论。发展模糊计算的多值逻辑理论、模糊计算系统（Fuzzy System），它们以模糊数学为理论基础，可以较好地解决不确定性问题的描述与求解；发展模仿生物遗传进化过程的演化计算技术（Evolutionary Computation），以达尔文进化论为依据，以遗传算法为基础（Genetic Algorithm），解决可计算性问题。人工神经网络、模糊理论、演化计算等智能计算技术的快速发展形成了
17、许多新的计算理论与智能计算体系。本讲稿第二十五页，共二十八页智能计算机可能的发展思路（4）发展新器件。在硅片技术快速发展的基础上，发展光计算器件、量子计算器件等新的器件制造理论与工程化方法。电子技术从芯片连接的角度讲属于二维连接或2.5维连接方式，而光学连接则是三围连接或高维连接，因此光器件具有连接优势，同时光的工作速度远远高于电子的移动速度，理论上具有更高的计算能力。从技术发展的角度看，光器件的存储能力远远大于硅片的存储能力。人工神经网络（Artificial Neural Network）期待大容量、高速度的光器件的发展。新器件的发展必将引起新的信息技术革命。本讲稿第二十六页，共二十八页信息科学发展的重要事件 1抽样定理抽样定理2脉冲编码调制脉冲编码调制3声码器声码器4信息论信息论5维纳滤波维纳滤波6卡尔曼滤波卡尔曼滤波7集成电路集成电路本讲稿第二十七页，共二十八页信息学科对社会各个方面影响 1全球首款单芯片数字麦克风全球首款单芯片数字麦克风 2智能尘埃（智能尘埃（Intelligent Dust）3有感知的无线电（有感知的无线电（Cognitive Radio）4电子人（电子人（Cyborgs）5“无人工厂无人工厂”（Unmanned Factory）本讲稿第二十八页，共二十八页