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1、人工智能、模式识别与医学专家系统第一节 人工智能“智能化”是当前新技术、新产品、新产业的重要发展方向、开发策略和显著标志，例如：智能控制（IntelligentControl）、智能自动化（IntelligentAutomation）、智能管理（IntelligentManagement）、。因此，人工智能具有广泛的用途。可以说，哪里有计算机应用，哪里就在用人工智能；哪里需要自动化或半自动化，哪里就在应用人工智能的理论、方法和技术。一.人工智能概述n n什么是智能智能（Intelligence)即智力功能，是人类大脑所具有的感知、认识、学习、理解、分析、综合、判断、推理、创造等局部功能的总和与
2、它们的有机综合的统称；因此，完善的智能中不能不包含有人类的情感、意识、意志等这种高级因素。n n智能究竟是什么？智能究竟是什么？智能是解决感性问题的能力。所谓感性就是个别的、特殊的、随机的、模糊的、感官的、情绪化的、个人意志的。解决这类问题需要经验的积累和归纳推理并形成新的经验。也就是具有自动学习、经验积累和应用知识的能力。对电脑而言，智能就是必须具有优化、扩展和改变主体已有程序和创建新程序的能力，即具有我们过去常说的主观能动性。智能可以利用一般经验或理论解决特殊问题，也可以归纳总结个别的经验使之上升到普遍的理论。人的行为可分为社会行为和个人行为。智能在人的社会行为中的作用主要是制定社会规则、
3、探索和发现自然规则以及选择和套用这些规则。而智能在人的个人行为中主要是通过个人情感和意志起作用以处理新鲜感受。n n什么是人工智能人工智能（ArtificialIntelligence)是利用设备或机器，用人工的方法，对人脑的思维活动过程进行模拟；当使得设备或机器的功能与脑功能大体等价时，这种设备或机器的功能就可以认为是具有某种程度的人工智能。人工智能应该以平均智力商为评定标准，并在与对比者（人）同等条件状况下进行全面地综合测试或进行某几种局部功能的单项测试；当测试结果不低于规定的智力商数时，应当承认该设备或机器具有某种程度或某种意义的人工智能。所谓人工智能，又称为智能模拟，是计算机技术所谓人
4、工智能，又称为智能模拟，是计算机技术的一个分支，它研究如何利用计算机来完成用人的智的一个分支，它研究如何利用计算机来完成用人的智慧才能完成的工作。慧才能完成的工作。人工智能问题是一个古老的但又是十分新颖的研人工智能问题是一个古老的但又是十分新颖的研究课题。近十多年来，各国研究人员在人工智能的研究课题。近十多年来，各国研究人员在人工智能的研究上都已经获得巨大的进展。然而各种传统的或新颖究上都已经获得巨大的进展。然而各种传统的或新颖的智能模型迄今还不能完全而圆满地对大脑思维活动的智能模型迄今还不能完全而圆满地对大脑思维活动的过程进行解释和模拟，人们还不十分了解信息在大的过程进行解释和模拟，人们还不
5、十分了解信息在大脑中的底层结构和编码方法；其中特别是象人们的概脑中的底层结构和编码方法；其中特别是象人们的概念、意识、情感和创造性思维过程等，还根本无从着念、意识、情感和创造性思维过程等，还根本无从着手；同时关于这一方面，在哲学上、自然科学上还有手；同时关于这一方面，在哲学上、自然科学上还有很大的争论，还不能得到哲学界和自然科学界的一致很大的争论，还不能得到哲学界和自然科学界的一致认同。认同。n n人工智能与计算机 人人们们早早已已习习惯惯于于把把计计算算机机称称之之为为“电电脑脑”，但但是是人人们们忽忽略略了了这这样样一一个个事事实实 无无论论电电脑脑的的功功能能有有多多么么强强大大，用用途
6、途有有多多么么广广泛泛，它它也也不不过过是是个个具具有有超超级级能能力力的的白白痴痴。严严格格地地讲讲，电电脑脑只只能能执执行行特特定定的的指指令令，而而人人脑脑则则是是处处理理所所有有感感受受到到的的信信息息。所所谓谓“特特定定的的指指令令”是是指指电电脑脑程程序序可可接接受受的的或或可可执执行行的的外外部部输输入入。显显然然执执行行指指令令 与与 处处 理理 信信 息息 有有 着着 本本 质质 的的 不不 同同。这这并并不不是是否否认认电电脑脑具具有有处处理理信信息息的的能能力力，这这里里说说的的电电脑脑处处理理信信息息与与人人脑脑处处理理信信息息是是不不同同的的概概念念。其其实实电电脑脑
7、处处理理信信息息过过程程也也是是在在执执行行外外部部指指令令或或给给定定程程序序中中的指令。的指令。电脑的软硬件都不是自发进化而成的。电脑程电脑的软硬件都不是自发进化而成的。电脑程序是人根据自然规律、法则和社会经验的归纳总结，序是人根据自然规律、法则和社会经验的归纳总结，是由人编制的。是由人编制的。电脑程序集中的是人的经验总结，其本质是理电脑程序集中的是人的经验总结，其本质是理性的。所谓理性就是理论的、有序的、精确的、数性的。所谓理性就是理论的、有序的、精确的、数字化的、结论性的、有规律的、普遍性的、公共的、字化的、结论性的、有规律的、普遍性的、公共的、合乎逻辑的。简单类比就如同是一本操作手册
8、，人合乎逻辑的。简单类比就如同是一本操作手册，人们只要照它去做就是了。们只要照它去做就是了。显然智能不是被用来解决这类理性化的问题的。显然智能不是被用来解决这类理性化的问题的。（智能是解决感性问题的能力。智能是解决感性问题的能力。）因为当一切都规）因为当一切都规定好了、程序化了，就根本不需要智能了。由此我定好了、程序化了，就根本不需要智能了。由此我们得出一个结论们得出一个结论 无论电脑的功能有多么强大，只要无论电脑的功能有多么强大，只要它只能按给定的程序来工作，它就不能算作具有智它只能按给定的程序来工作，它就不能算作具有智能。能。n n记忆、归纳推理与信息处理 通常记忆内容包括两个部分通常记忆
9、内容包括两个部分 一是记录所接受一是记录所接受或感受到的信息，这主要是指外部进来的信息。二或感受到的信息，这主要是指外部进来的信息。二是自动记录主体自身的活动过程。电脑只能记忆前是自动记录主体自身的活动过程。电脑只能记忆前者，而不能记忆后者。而人脑则两者都可以做到。者，而不能记忆后者。而人脑则两者都可以做到。电脑的记忆过程是被动地执行指令，它所能记住的电脑的记忆过程是被动地执行指令，它所能记住的东西仅仅是工作所需的程序和要处理的数据。而人东西仅仅是工作所需的程序和要处理的数据。而人脑所记录的东西不仅仅是感受到的信息，而且最重脑所记录的东西不仅仅是感受到的信息，而且最重要的是能够记录处理信息的过
10、程，或者说能够记录要的是能够记录处理信息的过程，或者说能够记录大脑自身有意识的活动内容。记忆内容第二部分所大脑自身有意识的活动内容。记忆内容第二部分所指的过程是自动的、不受控的，而第一部分则是可指的过程是自动的、不受控的，而第一部分则是可以被控制的。以被控制的。n n记忆、归纳推理与信息处理利用已有的经验来解决新的问题需要归纳和推理。人的这种能力是由人脑的记忆构造决定的。人脑在发育的早期阶段记忆过程主要是素材和基本经验块堆的建立和积累，即机械记忆。人脑在成熟阶段记忆过程主要是经验块堆的关联和重组，即关联记忆。由关联记忆形成的人脑活动使人的思维模式天生具有归纳推理能力。经验的重组使人得到了新的经
11、验，获得了进步。人脑的这种记忆构造的优点是具有模糊识别和记忆修补能力，缺点是老的关联成分会因打散而消退,即产生忘却。n n记忆、归纳推理与信息处理人记住一张脸至少不比记住一个外语单词要难，人记住一张脸至少不比记住一个外语单词要难，而电脑恰恰相反，它宁愿去记一个城市的电话簿。而电脑恰恰相反，它宁愿去记一个城市的电话簿。电脑几乎完全靠机械般的精确记忆，而且不能利用电脑几乎完全靠机械般的精确记忆，而且不能利用记忆进行归纳推理，因而无法实现智能所必须的利记忆进行归纳推理，因而无法实现智能所必须的利用自身经验之功能。电脑虽能记忆，但不能具有经用自身经验之功能。电脑虽能记忆，但不能具有经验。验。电脑在记忆
12、时会把所有的素材都记录下来。严电脑在记忆时会把所有的素材都记录下来。严格地讲，电脑中的磁盘并不完全属于它的格地讲，电脑中的磁盘并不完全属于它的 脑子脑子，磁盘中的数据部分就象人的笔记本和资料库那样，磁盘中的数据部分就象人的笔记本和资料库那样，是脑外之物。而我们人脑中已经固有了基本素材和是脑外之物。而我们人脑中已经固有了基本素材和经验，记忆时只需要把已有的各个素材和经验的关经验，记忆时只需要把已有的各个素材和经验的关联记录下来。这里所说的素材就是人对最基本物理联记录下来。这里所说的素材就是人对最基本物理感受的机械记忆。感受的机械记忆。n n记忆、归纳推理与信息处理其实这些素材的量并不是很多，当出
13、生的婴儿其实这些素材的量并不是很多，当出生的婴儿一开始感受这个世界，只需要不长的时期就可以得一开始感受这个世界，只需要不长的时期就可以得到他一生所需的基本记忆素材。其他时间的记忆就到他一生所需的基本记忆素材。其他时间的记忆就是把这些素材关联成块，再把块关联成堆。块块堆是把这些素材关联成块，再把块关联成堆。块块堆堆之间的再关联就构成了我们脑袋里的复杂记忆。堆之间的再关联就构成了我们脑袋里的复杂记忆。对人类大脑的解剖分析也支持这一论点，另外人的对人类大脑的解剖分析也支持这一论点，另外人的记忆和经验的增加并没有使大脑越长越大，这还可记忆和经验的增加并没有使大脑越长越大，这还可以解释我们大脑在工作时为
14、什么消耗很小的物理能以解释我们大脑在工作时为什么消耗很小的物理能量。关联记忆使得我们成年人脑袋的大小并不与记量。关联记忆使得我们成年人脑袋的大小并不与记忆的多少成正比。忆的多少成正比。要是我们把所有的感受象录音、要是我们把所有的感受象录音、要是我们把所有的感受象录音、要是我们把所有的感受象录音、录像那样全都记下来，要么把我们的脑子胀爆，要录像那样全都记下来，要么把我们的脑子胀爆，要录像那样全都记下来，要么把我们的脑子胀爆，要录像那样全都记下来，要么把我们的脑子胀爆，要么我们的脑袋长得比楼房还大。么我们的脑袋长得比楼房还大。么我们的脑袋长得比楼房还大。么我们的脑袋长得比楼房还大。n n记忆、归纳
15、推理与信息处理人类的情感和智能都与我们大脑的记忆特性密切相关，我们大脑有意识的活动在相当程度上是记忆活动。探索和认识人脑的记忆原理是实现人工智能的重要一环，也是电脑模拟或实现人脑智能的必经之路。任何试图逃避这一关的做法都不会成功。电脑科技的高速发展并未导致电脑在智能化方面有什么进展，其重要原因之一就是电脑的记忆方式一直停留在它的初始阶段。二、人工智能的发展轨迹 (1)模拟人类的思维规律，即推理方法的研究和程序化；(2)正确的知识表示，运用知识进行推理，即知识的形式化；(3)从大量已有的知识推出新的知识，即专家系统。三、人工智能的基本方法n n人 工 智 能 的 基 本 方 法 有 以 下 几
16、种：1 1、启启发发式式搜搜索索：人人们们解解决决问问题题的的基基本本方方法法是是方方案案-试试验验法法，对对各各种种可可能能的的方方案案进进行行试试验验，直直至至找找到到正正确确的的方方案案。搜搜索索策策略略有有盲盲目目搜搜索索、启启发发式式搜搜索索之之分分。盲盲目目搜搜索索是是对对可可能能方方案案进进行行顺顺序序的的试试验验；启启发发式式搜搜索索是是依依照照经经验验或或某某种种启启发发式式信信息息，摒摒弃弃希希望望不不大大的的搜搜索索方方向向。启启发发式式搜搜索索大大大大加加快快搜搜索索过过程程，使使得得人人们们处处理理问问题题效效率率得得到到提提高高。n n2 2、规划：人们待解决的问题
17、一般可以分解转、规划：人们待解决的问题一般可以分解转化为若干小问题，对于每个小问题还可以进行分化为若干小问题，对于每个小问题还可以进行分解。由于解决小问题的搜索大为减少，使得原问解。由于解决小问题的搜索大为减少，使得原问题的复杂度降低，问题的解决得到简化。规划要题的复杂度降低，问题的解决得到简化。规划要依靠启发式信息，成功与否，很大程度上决定于依靠启发式信息，成功与否，很大程度上决定于启发信息的可靠程度。启发信息的可靠程度。3 3、知识的表达技术：知识在计算机内的表达、知识的表达技术：知识在计算机内的表达方式是用计算机模拟人类智能必须解决的重要问方式是用计算机模拟人类智能必须解决的重要问题。问
18、题解决的关键是如何把各类知识进行编码、题。问题解决的关键是如何把各类知识进行编码、存储；如何快速寻找需要的知识；如何对知识进存储；如何快速寻找需要的知识；如何对知识进行运算、推理；如何对知识进行更新、修改。行运算、推理；如何对知识进行更新、修改。四、人工智能的研究和应用领域人工智能的研究和应用领域概括起来有人工智能的研究和应用领域概括起来有8 8个：个：1 1、问题求解：我们通过对人们求解问题的一、问题求解：我们通过对人们求解问题的一般规律、求解问题的思路的研究，编制一个智能般规律、求解问题的思路的研究，编制一个智能程序，依照人们解决问题的方法与步骤，解决问程序，依照人们解决问题的方法与步骤，
19、解决问题。题。2 2、自然语言处理：自然语言处理是研究计算、自然语言处理：自然语言处理是研究计算机如何运用已有的词法和语法规则，正确理解人机如何运用已有的词法和语法规则，正确理解人们的自然语言，以方便用户的使用与表达。们的自然语言，以方便用户的使用与表达。3 3、模式识别：模式识别是研究如何从庞大的、模式识别：模式识别是研究如何从庞大的信息中提取特征，根据特征识别不同事物的基本信息中提取特征，根据特征识别不同事物的基本原理。原理。n n4 4、智能数据库：智能数据库是研究利用人的、智能数据库：智能数据库是研究利用人的推理、想象、记忆原理，实现对数据库的存储、推理、想象、记忆原理，实现对数据库的
20、存储、搜索和修改。智能数据库通过有效的组织，能够搜索和修改。智能数据库通过有效的组织，能够满足人们快速检索和修改数据库的要求。满足人们快速检索和修改数据库的要求。5 5、智能机器人：智能机器人能够对外部环境、智能机器人：智能机器人能够对外部环境具有一定的适应能力，根据实际的环境信息进行具有一定的适应能力，根据实际的环境信息进行综合处理，并做出正确的响应。这种机器人用于综合处理，并做出正确的响应。这种机器人用于航天、军事、工业制造等领域。航天、军事、工业制造等领域。6 6、博奕：博弈是研究使自己取胜、战胜对手、博奕：博弈是研究使自己取胜、战胜对手的策略。在决策过程中要对形势做出恰当的估计，的策略
21、。在决策过程中要对形势做出恰当的估计，搜寻各种可能的策略组合，通过对比分析确定对搜寻各种可能的策略组合，通过对比分析确定对自己最有利的策略。其中运用到问题求解、模式自己最有利的策略。其中运用到问题求解、模式识别等方法。识别等方法。7 7、程序自动设计：程序自动化是为了设计一、程序自动设计：程序自动化是为了设计一种算法。该算法是分层结构的，先提出一些规定，种算法。该算法是分层结构的，先提出一些规定，形成最高一级的算法，并提出下一层算法的规定，形成最高一级的算法，并提出下一层算法的规定，然后按照这些规定形成下一级的算法和再下一级然后按照这些规定形成下一级的算法和再下一级的规定，最后完成整个程序。程
22、序自动化较多的的规定，最后完成整个程序。程序自动化较多的研究工作放在了自动程序验证方面，即让计算机研究工作放在了自动程序验证方面，即让计算机自动查找程序中的错误。自动查找程序中的错误。8 8、定理的自动证明：计算机通过模仿人的推、定理的自动证明：计算机通过模仿人的推理和演绎过程，从最基本的公理出发，证明定理理和演绎过程，从最基本的公理出发，证明定理的正确性。的正确性。现在信息技术的飞速发展，使得现在信息技术的飞速发展，使得AlAl有更广泛有更广泛的研究和应用领域，如专家咨询系统、组合调度的研究和应用领域，如专家咨询系统、组合调度问题、虚拟现实等等。问题、虚拟现实等等。五、应用举例指纹识别技术是
23、指利用计算机进行的指纹自动指纹识别技术是指利用计算机进行的指纹自动识别技术，它是一项综合技术，其研究发展涉及到识别技术，它是一项综合技术，其研究发展涉及到多个前沿及边缘科学，如模糊数学、数学形态学、多个前沿及边缘科学，如模糊数学、数学形态学、神经网络、模式识别、计算机视觉、人工智能、数神经网络、模式识别、计算机视觉、人工智能、数据压缩、并行处理以及网络技术等。这种技术的原据压缩、并行处理以及网络技术等。这种技术的原理是通过指纹扫描仪上的光电识别器理是通过指纹扫描仪上的光电识别器(摄像头摄像头)对人对人指尖的卷状纹理和涡进行扫描后，计算机把特定的指尖的卷状纹理和涡进行扫描后，计算机把特定的隆起部
24、位的位置制成表和记录下来而形成一个对每隆起部位的位置制成表和记录下来而形成一个对每一个人来说都是唯一的一个压痕模式，存入计算机一个人来说都是唯一的一个压痕模式，存入计算机指纹数据库。指纹数据库。计算机指纹扫描仪能够区分人的手指与伪造的计算机指纹扫描仪能够区分人的手指与伪造的如蜡制的手指或橡胶手套上的指纹，这是由于对人如蜡制的手指或橡胶手套上的指纹，这是由于对人的手指其扫描仪传感系统能分辨出血液的流动情况、的手指其扫描仪传感系统能分辨出血液的流动情况、血压等信息。当进行身份认证时，指纹自动识别系血压等信息。当进行身份认证时，指纹自动识别系统会将人现场通过指纹扫描仪收集到的指纹经软件统会将人现场通
25、过指纹扫描仪收集到的指纹经软件系统与数据库的指纹相对照而进行确认，对主流机系统与数据库的指纹相对照而进行确认，对主流机型只需型只需2 2秒左右的时间。由于两个人拥有完全相同指秒左右的时间。由于两个人拥有完全相同指纹的概率估计少于纹的概率估计少于1010亿分之一，因此识别率极高，亿分之一，因此识别率极高，如美国如美国IdentixIdentix公司的指纹扫描设备在用一个右手指公司的指纹扫描设备在用一个右手指正确匹配上接近正确匹配上接近100%100%。指纹相对人的其它生物特征。指纹相对人的其它生物特征具有个体差异大、实现识别所需的软硬件资源较小具有个体差异大、实现识别所需的软硬件资源较小等优势，
26、因此具有较大的应用空间。等优势，因此具有较大的应用空间。第二节 模式识别人工智能中有一个很重要的领域就是模式识别。但对于什么是“模式”，或者什么是机器能够辩别的“模式”，迄今尚无确切的定义。我们只能形象地解释说，人之所以能识别图像、声音、动作、文字、面部表情等，是因为它们都存在着反映其特征的某种模式。但这一解释根本没有诠释模式的内涵和外延。一模式识别与模式识别的定义与目的按照广义的定义，模式是一些供模仿用的、完美无缺的标本。模式识别就是识别出特定客体所模仿的标本。识识别别能能力力是是人人类类和和其其它它生生物物的的一一种种基基本本属属性性，根根据据被被识识别别的的客客本本的的性性质质可可以以将
27、将识识别别活活动动分分为为两两个个主要类型：具体的客体和抽象的客体。主要类型：具体的客体和抽象的客体。字字符符、图图画画、音音乐乐是是具具体体的的客客体体，它它们们通通过过对对感感官官的的刺刺激激而而被被识识别别；论论点点、思思想想、信信仰仰则则是是非非物物质质的的客客体体，对对它它们们的的研研究究主主要要属属于于哲哲学学、政政治治学的范畴。学的范畴。我我们们主主要要是是研研究究具具体体客客体体的的识识别别，而而且且仅仅局局限限于于研研究究用用机机器器完完成成与与识识别别任任务务有有关关的的基基本本理理论论与与实实用用技技术术。这这一一类类课课题题属属于于工工程程学学、计计算算机机科科学学、应
28、应用用数数学学的的范范畴畴。对对我我们们将将要要讨讨论论的的内内容容，我我们们对对模模式、模式识别作如下狭义的定义：式、模式识别作如下狭义的定义：模式是对某些感兴趣的客体的定量的或结构的描述，模式类是具有某些共同特征的模式的集合。模式识别是研究一种自动技术，依靠这种技术，机器将自动地（或人尽量少地干涉）把待识模式分配到各自的模式类中去。但模式识别不是简单的分类学，其目标包括对于识别对象的描述、理解与综合。模式识别是伴随着计算机的研究、应用日益发展起来的。其应用领域涉及社会生活的各个方面，而且还在不断扩大。人们亲切地称计算机为电脑，几乎所有本来由人脑实现的功能，都谋略用“电脑”来完成。而且已经取
29、得，并不断取得令人振奋的成就。但比起人脑来，电脑毕竟是小巫见大巫，不仅仅在于人脑约有10111012个脑细胞（被称为神经元），更在于每个神经元约有103104个突触，即一个神经元可通过突触与8000个其它神经元交换信息，当生物电流通过某一突触时，神经元就将信息传送到下一神经元。所以人脑有极丰富的联想能力。可以超越时空，任意跳跃。因此计算机的联想、判别与推理能力远不如人脑，特别是在对外界信息的感知能力方面，更远不如人脑。识别是人对感觉的认知和判断能力识别是人对感觉的认知和判断能力。识别能力的高低体现了智能水平。识别由低到识别能力的高低体现了智能水平。识别由低到高分为三个层次。高分为三个层次。n
30、n仪器水平仪器水平 物理识别物理识别n n动物水平动物水平 模糊识别模糊识别n n人类智能水平人类智能水平 情感识别情感识别物理识别是对接受到的信息实现物理、化学物理识别是对接受到的信息实现物理、化学物理识别是对接受到的信息实现物理、化学物理识别是对接受到的信息实现物理、化学和生物学的量化认识。视觉包括明暗、颜色、大小、和生物学的量化认识。视觉包括明暗、颜色、大小、和生物学的量化认识。视觉包括明暗、颜色、大小、和生物学的量化认识。视觉包括明暗、颜色、大小、形状、远近、运动状态等。听觉包括声音大小、频形状、远近、运动状态等。听觉包括声音大小、频形状、远近、运动状态等。听觉包括声音大小、频形状、远
31、近、运动状态等。听觉包括声音大小、频率、方位、波形等。触觉包括温度、导热率、硬度、率、方位、波形等。触觉包括温度、导热率、硬度、率、方位、波形等。触觉包括温度、导热率、硬度、率、方位、波形等。触觉包括温度、导热率、硬度、粘度、大小、形状、受力、活动状态等。嗅觉和味粘度、大小、形状、受力、活动状态等。嗅觉和味粘度、大小、形状、受力、活动状态等。嗅觉和味粘度、大小、形状、受力、活动状态等。嗅觉和味觉包括物质的组成及化学成分。觉包括物质的组成及化学成分。觉包括物质的组成及化学成分。觉包括物质的组成及化学成分。现代科技与电脑相结合在物理识别范围和识现代科技与电脑相结合在物理识别范围和识现代科技与电脑相
32、结合在物理识别范围和识现代科技与电脑相结合在物理识别范围和识别精度方面早已大大超过人自身的能力。几乎所有别精度方面早已大大超过人自身的能力。几乎所有别精度方面早已大大超过人自身的能力。几乎所有别精度方面早已大大超过人自身的能力。几乎所有的科学仪器都是用于这种识别。这种识别的特点是的科学仪器都是用于这种识别。这种识别的特点是的科学仪器都是用于这种识别。这种识别的特点是的科学仪器都是用于这种识别。这种识别的特点是识别内容分别独立互不相关，事件具有精确的重复识别内容分别独立互不相关，事件具有精确的重复识别内容分别独立互不相关，事件具有精确的重复识别内容分别独立互不相关，事件具有精确的重复性，无需经验
33、和智能，完全可以程序化。所以它是性，无需经验和智能，完全可以程序化。所以它是性，无需经验和智能，完全可以程序化。所以它是性，无需经验和智能，完全可以程序化。所以它是最低层次的识别最低层次的识别最低层次的识别最低层次的识别。模模模模糊糊糊糊识识识识别别别别是是是是在在在在大大大大量量量量复复复复杂杂杂杂的的的的信信信信息息息息中中中中识识识识别别别别出出出出有有有有用用用用的的的的部部部部分分分分，即即即即对对对对接接接接收收收收的的的的信信信信息息息息与与与与以以以以往往往往的的的的记记记记忆忆忆忆和和和和经经经经验验验验进进进进行行行行关关关关联联联联认认认认识识识识，剔剔剔剔除除除除无无无
34、无关关关关的的的的信信信信息息息息。视视视视觉觉觉觉包包包包括括括括在在在在复复复复杂杂杂杂的的的的背背背背景景景景中中中中辨辨辨辨认认认认特特特特定定定定的的的的人人人人和和和和物物物物或或或或以以以以往往往往经经经经历历历历过过过过的的的的人人人人和和和和物物物物。听听听听觉觉觉觉包包包包括括括括在在在在嘈嘈嘈嘈杂杂杂杂的的的的背背背背景景景景中中中中辨辨辨辨别别别别出出出出特特特特定定定定的的的的声声声声音音音音，特特特特别别别别是是是是不不不不同同同同人人人人的的的的讲讲讲讲话话话话声声声声。模模模模糊糊糊糊识识识识别别别别可可可可解解解解决决决决有有有有谁谁谁谁、有有有有什什什什么么
35、么么、是是是是谁谁谁谁、是是是是什什什什么么么么的的的的问问问问题题题题。这这这这种种种种对对对对人人人人来来来来说说说说轻轻轻轻而而而而易易易易举举举举的的的的能能能能力力力力对对对对电电电电脑脑脑脑来来来来说说说说真真真真是是是是太太太太难难难难了了了了。目目目目前前前前电电电电脑脑脑脑可可可可通通通通过过过过对对对对照照照照记记记记录录录录的的的的方方方方式式式式实实实实现现现现单单单单一一一一识识识识别别别别能能能能力力力力，例例例例如如如如指指指指纹纹纹纹、图图图图形形形形、语语语语音音音音等等等等。由由由由于于于于电电电电脑脑脑脑不不不不能能能能实实实实现现现现关关关关联联联联记记
36、记记忆忆忆忆，所所所所以以以以它它它它在在在在模模模模糊糊糊糊识识识识别别别别方方方方面面面面难难难难以以以以有有有有突突突突破破破破性性性性进进进进展展展展。这这这这个个个个层层层层次次次次的的的的识识识识别别别别与与与与我我我我们们们们常常常常见见见见的的的的宠宠宠宠物物物物、牲牲牲牲畜畜畜畜、鸟鸟鸟鸟、昆虫的识别能力大致相当，因此它不能产生高级智能。昆虫的识别能力大致相当，因此它不能产生高级智能。昆虫的识别能力大致相当，因此它不能产生高级智能。昆虫的识别能力大致相当，因此它不能产生高级智能。情情感感识识别别是是最最高高级级的的识识别别。它它是是完完全全的的感感性性识识别别。这这种种识识别
37、别主主要要是是针针对对人人际际之之间间的的信信息息交交流流。它它包包括括文文字字、语语言言、歌歌曲曲、表表情情、外外表表、气气味味和和动动作作所所表表达达的的含含义义，既既识识字字又又听听得得懂懂说说话话，甚甚至至包包括括自自然然现现象象、事事件件、环环境境和和物物品品的的人人文文美美学学含含义义。这这种种识识别别已已经经超超出出了了人人工工智智能能的的模模糊糊识识别别，达达到到了了人人工工高高级级生生命命的的能能力力。以以单单一一语语音音识识别别为为例例 初初级级识识别别能能够够知知道道有有声声音音，模模糊糊识识别别能能够够知知道道说说什什么么或或谁谁在在说说话话，而而高高级级识识别别则则能
38、能通通过过说说话话的的内内容容、音音调调、节节奏奏知知道道说说话话者者的的情情绪绪和和态态度度。这这种种识识别别要要求求电电脑脑具具有有人人类类的的情情感感。由由此此可可见，高级智能与情感是完全相关的。见，高级智能与情感是完全相关的。二模式识别的全过程模式识别的全过程可用下图简要的表示：以上过程中，每一阶段设计的好坏都会对全盘的工作产生严重的影响，所以每一阶段都应争取尺可能完美的效果。被识对象被识对象非电量转换及非电量转换及数字化数字化 模式分类模式分类 特征或基元提取特征或基元提取预处理预处理 图图8.18.1 模式识别的全过程模式识别的全过程1.1.由于被识别的对象多半是具有不同特征的非电
39、量，如灰度、色彩、声音、压力、温度等，所以第一步就要将它们转变为电信号，然后经A/D转换，将它们转换为能由计算机处理的数字量。2.2.数字化后的电信号需经预处理，以滤除样品采集过程中掺入的干扰、噪声，并人为地突出有用信号，以得到良好的识别效果。3.3.经改善后的有用信号，还要作特征抽取或基元抽取，才能对其分类。由于特征的抽取与待识模式的类别密切相关，很难有某种泛泛的规律可依循。随着工作的深入，要不断修改与完善此阶段的工作，这也是图8.1 中虚线回溯的含义。4.4.模式分类就是在前几步准备工作的基础上，把被识别对象归并分类，确认其为何种模式的过程。这是模式识别“出成果”的阶段，直接以其分类结果表
40、明本次识别的结束。模式分类按其方法，大致可分为四大类1.1.统计决策法2.2.句法结构法3.3.模糊判决法4.4.人工智能法电脑模式识别技术最初起源于图像识别的需要，电脑模式识别技术最初起源于图像识别的需要，比如协助警方根据照片从茫茫人海中搜寻某个罪犯，比如协助警方根据照片从茫茫人海中搜寻某个罪犯，或者帮助医生把显微镜下的细菌进行分类或者帮助医生把显微镜下的细菌进行分类。人脑在接受到视觉器官传递来的信息时，是怎人脑在接受到视觉器官传递来的信息时，是怎样识别和区分大千世界的万物的呢？样识别和区分大千世界的万物的呢？一种方案是，大脑用一个神经元与图像上的每一种方案是，大脑用一个神经元与图像上的每一
41、点一一对应并逐一判别，最后综合为整体；但既一点一一对应并逐一判别，最后综合为整体；但既使只描述图像局部的大致轮廓，神经元的数目仍不使只描述图像局部的大致轮廓，神经元的数目仍不够使用。够使用。另一种更符合实际的方案是：大脑感知的不是另一种更符合实际的方案是：大脑感知的不是图像上的所有的点，而是轮廓中最典型的特征，如图像上的所有的点，而是轮廓中最典型的特征，如线段、角度、弧度、反差、颜色等，把它们从图像线段、角度、弧度、反差、颜色等，把它们从图像中抽取出来，然后结合头脑中过去的记忆和有关经中抽取出来，然后结合头脑中过去的记忆和有关经验和知识分析判断。这种验和知识分析判断。这种“特征抽取特征抽取”也
42、是电脑图也是电脑图像识别的基础。像识别的基础。要根据一张照片让电脑在一群人中辩认出某个要根据一张照片让电脑在一群人中辩认出某个人，可以先把这张照片输入电脑，抽取照片上人像人，可以先把这张照片输入电脑，抽取照片上人像上的特征，如鼻子、嘴巴、眼睛和轮廓特点，进行上的特征，如鼻子、嘴巴、眼睛和轮廓特点，进行分类和加工，存放在机器里作为识别那个人的分类和加工，存放在机器里作为识别那个人的“模模板板”。然后，让所有人都接受光电设备的描扫，把。然后，让所有人都接受光电设备的描扫，把他们的图像与机器事先存放的他们的图像与机器事先存放的“模板模板”一一匹配。一一匹配。只要待辩认的人躲在这群人中间，哪怕他化了装
43、，留了长发，蓄了胡须，也逃不脱电脑的“火眼金睛”。这种图像处理方法也叫“模板匹配”，它已广泛应用于公安部门识别犯罪嫌疑人的侦破工作。图像识别技术比较成功的运用领域是文字识别。如果把每一个汉字或西文字母都视为一个小图形，模板匹配的方法自然可以移植到文字识别过程中。目前印刷体文字识别软件早已进行商品化阶段。通常将印刷品上的文字用扫描仪输入，首先经通常将印刷品上的文字用扫描仪输入，首先经过特征抽取处理，例如，某字的笔画有几笔，收尾过特征抽取处理，例如，某字的笔画有几笔，收尾端点有几个，拐角有多少等。在电脑中已预先保存端点有几个，拐角有多少等。在电脑中已预先保存了各种字的图形和它们的特征，也称为了各种
44、字的图形和它们的特征，也称为“模板模板”，全部模板就构成一部全部模板就构成一部“模板字典库模板字典库”。由于要考虑。由于要考虑字体、字号、纸张、油墨等因素影响，每个字都有字体、字号、纸张、油墨等因素影响，每个字都有若干套不同的模板。接下来就是将抽取到的文字特若干套不同的模板。接下来就是将抽取到的文字特征与模板字典逐一匹配，直到在字典库中找到最接征与模板字典逐一匹配，直到在字典库中找到最接近的模板为止。运用这种方法，对于印刷体文字，近的模板为止。运用这种方法，对于印刷体文字，电脑能够以电脑能够以“一目十行一目十行”的速度进行阅读。的速度进行阅读。电脑的语音识别也是一个非常重要的人工智电脑的语音识
45、别也是一个非常重要的人工智能技术，是人工智能多年追逐的目标。与能技术，是人工智能多年追逐的目标。与“视觉视觉”输入设备扫描仪对应的输入设备扫描仪对应的“听觉听觉”输入设备是话筒，输入设备是话筒，语音识别的基础技术也是模式识别。由于每个人说语音识别的基础技术也是模式识别。由于每个人说话的音色和音调都有一定的差异，发声频率各不相话的音色和音调都有一定的差异，发声频率各不相同。人脑对语音似乎有一种自适应的能力，既能区同。人脑对语音似乎有一种自适应的能力，既能区分不同性别、不同年龄的语音差异，又能调整为能分不同性别、不同年龄的语音差异，又能调整为能够理解的音素，从而听懂各色人说出的话语。采用够理解的音
46、素，从而听懂各色人说出的话语。采用模板匹配方式的电脑不可能具备这种本领，它通常模板匹配方式的电脑不可能具备这种本领，它通常只能只能“听懂听懂”特定某人的声音，而且是经过了一段特定某人的声音，而且是经过了一段时间的时间的“学习学习”的结果。学习过程称为的结果。学习过程称为“训练训练”即即对着电脑大声重复地讲述某些字词，直到它把这些对着电脑大声重复地讲述某些字词，直到它把这些字词的声音频谱特征字词的声音频谱特征“记住记住”，存放在参考样本库，存放在参考样本库作为识别这个字词的模板。当换了另一个人说话，作为识别这个字词的模板。当换了另一个人说话，电脑的正确识别率可能就会下降。电脑的正确识别率可能就会
47、下降。此外，语音识别对说话者使用的词汇必须作出此外，语音识别对说话者使用的词汇必须作出限制，否则要求电脑具有极大的存储容量和极高处限制，否则要求电脑具有极大的存储容量和极高处理速度。理速度。19981998年年IBMIBM公司发布公司发布ViaVoice98ViaVoice98，使中文语音，使中文语音识别技术取得了实质性突破，该软件具有语音导航识别技术取得了实质性突破，该软件具有语音导航功能，在普通话的基础上能适应广东、四川、上海功能，在普通话的基础上能适应广东、四川、上海三种口音，用平常速度口音读一般文章的识别率达三种口音，用平常速度口音读一般文章的识别率达到到85%95%85%95%，并具
48、有自适应功能，快速口音适应，并具有自适应功能，快速口音适应只需训练只需训练5 5个词、个词、3 3句话，句话，5 5分钟左右即可建立一个语分钟左右即可建立一个语音模型。已被广泛使用。音模型。已被广泛使用。人工智能模式识别的进展，已经在一定程度上使人工智能模式识别的进展，已经在一定程度上使电脑具备了电脑具备了“听听”、“说说”、“读读”的能力，但距的能力，但距离理想的目标还有较长的路程。对人类来说，哪怕离理想的目标还有较长的路程。对人类来说，哪怕你把字写得龙飞凤舞，哪怕你把话说的含糊不清，你把字写得龙飞凤舞，哪怕你把话说的含糊不清，我们也能根据对上下文的理解做出正确的识别。这我们也能根据对上下文
49、的理解做出正确的识别。这表明人脑模式识别的方法不是或者不完全是表明人脑模式识别的方法不是或者不完全是“模板模板匹配匹配”，对模糊信息的处理，人脑比电脑要强得多。，对模糊信息的处理，人脑比电脑要强得多。此外，电脑储存的模板库或样本库，与它的判断识此外，电脑储存的模板库或样本库，与它的判断识别机构两相分离，当模板库容量十分庞大时，搜索别机构两相分离，当模板库容量十分庞大时，搜索匹配就显得力不从心；而人脑记忆的知识与其判断匹配就显得力不从心；而人脑记忆的知识与其判断机构浑然一体，它的模式识别是寻找、运用知识的机构浑然一体，它的模式识别是寻找、运用知识的思维决策。思维决策。模式识别已广泛应用于生物医学
50、工程领域。生物医学信号的自动分类和识别，医学图像的识别都有相当多的应用实例。随着计算机的发展与普及，模式识别的应用必定会越来越广泛。第三节 专家系统 所所谓谓的的专专家家系系统统实实质质上上是是某某一一专专门门知知识识，例例如如某某种种疾疾病病的的诊诊断断、处处方方，某某些些矿矿物物的的资资源源勘勘探探数数据据分析等的计算机咨询系统分析等的计算机咨询系统(软件软件)。专专家家系系统统的的基基础础是是专专家家知知识识。专专家家知知识识可可以以分分成成两两大大类类，一一类类是是已已经经总总结结在在书书本本上上的的定定律律、定定理理和和公公式式等等，另另一一类类是是专专家家们们在在实实际际工工作作中