人工智能基礎(高中版)（簡體書）

【郭台銘霸業+人工智慧來了】

人工智能技術現已進入加速發展的新階段，人工智能時代的來臨，將對人類的社會生活產生深遠的影響。發展人工智能將驅動經濟發展，提升國家綜合競爭力，並為社會發展帶來新的機遇。建立人工智能學科，完善人工智能教育體係是新一代人工智能發展規劃的重點任務之一。

《人工智能基礎》是一本關於人工智能技術的教材，對人工智能的歷史、發展和應用進行了深入闡述，力求啟迪學生了解人工智能相關知識，從而為培養領先的科技創新型人才，壯大人工智能高端人才隊伍奠定重要基礎。

《人工智能基礎（高中版）》是面向高中學生的教材。講授人工智能的發展歷史、基本概念以及實際應用，使學生理解人工智能的基本原理，特別是數據、算法與應用之間的相互關係。並結合常見的應用場景，理解人工智能技術（包括感知與決策）的基本工作方式，通過動手實踐，更深入地理解人工智能技術的原理、能力，以及在實用中面臨的挑戰。本書強調人工智能基本理念與原理的傳遞，注重創造力、想像力、整體思考，以及動手能力的提升。

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湯曉鷗 教授
商湯科技創始人，也是全球人工智能領域有影響力的科學家之一。湯教授目前任香港中文大學信息工程系教授，同時還擔任中國科學院深圳先進技術研究院副院長。2005年~2008年期間，湯曉鷗教授擔任微軟亞洲研究院視覺計算負責人。湯曉鷗教授曾榮獲2009 CVPR（IEEE國際計算機視覺與模式識別會議）佳論文獎。2014年，他的人臉識別技術成為世界上一個超過人眼識別能力的計算機算法。這項技術還於2015年榮獲人工智能領域學術會議AAAI首次設立的佳學生論文獎。湯曉鷗教授是IEEE院士，同時還擔任ICCV（IEEE國際計算機視覺會議）2009程序委員會主席、ICCV 2019大會主席以及計算機視覺領域兩大國際期刊之一的IJCV主編。湯曉鷗教授於1996年獲麻省理工學院博士學位，並擁有美國羅切斯特大學碩士學位和中國科學技術大學學士學位。

陳玉琨
華東師範大學教授，博士生導師，華東師範大學考試與評價研究院院長。主要著作有《教育評估的理論和技術》、《教育學文集教育評價》，《中國高等教育評價論》、《教育評價學》等，論文有《教育質量本質探析》等近百篇。

致同學

親愛的同學:

人工智能(Artificial Intelligence) 正在全球迅速崛起, 已經影響了我們生活的方方面面, 你感受到了嗎? 2016 年與2017 年由於阿爾法狗(AlphaGo) 與阿爾法元(AlphaGo Zero) 以無可爭辯的能力戰勝了李世乭、柯潔等人類圍棋高手而名噪一時; 在無人駕駛等領域, 人工智能也大顯身手, 且顯示出越來越強的能力; 圖像識別、語音識別技術的日益成熟已給人們的生活帶來極大的便利。由此, 人們才感受到人工智能的時代已經到來了, 而且, 改變我們生活的步伐會越來越快。

人類生活在自然之中, 自然是我們的母親, 與自然和睦相親是人類唯一的生存之道。母親幫助我們將手從爬行中解放出來, 從此, 人類就有了極大的自由發展空間。當然, 人類不會滿足於手的解放,在數千年的發展中, 一直在試圖發展機械能以突破人類體力的局限; 發展各種感知器件, 以實現人類在感知覺方面的突破; 也一直試圖解開大腦的秘密, 尋求大腦解放之途。

經過數千年的努力, 人類在這些方面已經取得了巨大的成就。在勞動中, 我們的祖先發明了各種工具, 大大地解放了人類的體力, 提高了勞動的效率。然而, 人類並沒有滿足這些成就, 在體力得到一定程度解放的同時, 人工智能由此應運而生。

人工智能是從圖靈提出“圖靈測試”開始的。艾倫·圖靈(Alan Turing), 英國著名的數學家和邏輯學家, 被稱為計算機科學之父、人工智能之父, 是計算機邏輯的奠基者, 曾協助英國軍方破解德國的著名密碼系統“謎”(Enigma), 幫助盟軍取得了二戰的勝利。他提出的“圖靈機”和“圖靈測試”等概念, 是計算機科學和人工智能發展的重要基石, 為紀念其在計算機領域的卓越貢獻, 人們以他的名字設立了“圖靈獎”。以圖靈為代表的先驅科學家們開創了一個創新的學科—人工智能。

風雲際會, 潮起潮落, 在數十年的發展中, 人工智能有過高潮, 也有過低谷, 但是, 人類的希望之火從未熄滅。在21 世紀的第二個十年, 人工智能終於迎來了指數式的增長。2017 年7 月, 我國國務院發布《新一代人工智能發展規劃》, 特別強調“加快人工智能創新應用”。文件要求: “ 利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革, 構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系”; “開展智能校園建設, 推動人工智能在教學、管理、資源建設等全流程應用”; “ 廣泛開展人工智能科普活動”, “實施全民智能教育項目, 在中小學階段設置人工智能相關課程”; “支持開展人工智能競賽,開發立體綜合教學場、基於大數據智能的在線學習教育平台”。這就對人工智能教育提出了新的

任務。

商湯科技是我國人工智能領域的“獨角獸”, 在該領域有著豐富的積累。2017 年11 月, 商湯與上海市政府簽訂戰略合作協議, 目標是使上海成為全球人工智能發展的戰略高地。作為有著高度社會良知與責任擔當的企業, 商湯深知普及人工智能的價值, 也在2017 年11 月, 商湯決定與華東師範大學慕課中心合作, 邀請華東師範大學二附中、上海交大附中、上海七寶中學、上海格致中學、上海市西中學、上海晉元中學教師共同編寫人工智能的教材(高中版)。

與你讀到過的其他教材不同, 本教材以“手腦結合”為主要學習方式, 在給你提供必要的基礎知識之後, 就需要你動手做一些實驗, 特別希望你發揮獨特的想像力,設計在你高中階段有限的時間中有可能完成的項目, 並動手將其轉化為獨具特色的作品。相信你在這一過程中能夠享受到創造的無窮樂趣。

當然, 人工智能是一技術含量極高的領域, 尤其是一些用到高等數學的算法, 可能已經超出了你已學過的範圍, 有些甚至超出了大學本科的範圍, 為使你能深入了解人工智能的原理, 本教材對這些算法只做定性的介紹, 其定量的部分留待你以後再學。商湯已將這些算法開放在其教學實驗平台之中, 供你在動手時調用。

作為實驗教材, 錯誤與不當之處在所難免, 歡迎同學們在使用過程中提出批評與改進建議。本教材的目標是: 讓同學們學會像科學家一樣思考。糾錯是科學取得進展的基本途徑, 美國著名心理學家馬斯洛(AHMaslow) 說過: “要做的唯一有氣魄的事似乎就是不要害怕錯誤, 投身進去, 盡力而為, 以期能從大錯到糾正它們的過程中學到足夠的東西”。?本教材的編者深以為然, 更期盼著閱讀本教材的同學能以更大的勇氣去創新與創造。

編者

2018 年3 月

第一章人工智能: 新時代的開啟………… 1

1.1跨越時空: 銘銘的一天………… 2

1.2光輝歲月: 人工智能簡史………… 5

1.3百花齊放: 人工智能在各行各業的應用………… 10

1.4初露真容: 人工智能與機器學習………… 13

1.5本章小結………… 17

第二章牛刀小試: 察異辨花………… 19

2.1初學乍練: 分類任務………… 20

2.2含英咀華: 提取特徵………… 22

2.3分門別類: 分類器………… 25

2.4實踐出真知: 測試和應用………… 35

2.5五花八門: 多類別分類………… 37

2.6大顯身手: 二分類在生活中的應用………… 39

2.7本章小結………… 42

第三章別具慧眼: 識圖認物………… 43

3.1溫故知新: 基於手工特徵的圖像分類………… 44

3.2另闢蹊徑: 基於深度神經網絡的圖像分類………… 52

3.3“網”不厭深: 深度神經網絡的發展與挑戰………… 60

3.4忽如一夜春風來: 圖像分類在日常生活中的應用………… 66

3.5本章小結………… 68

第四耳聽八方: 析音賞樂………… 71

4.1洗耳恭聽: 聽聲的藝術………… 73

4.2絲竹管弦: 音樂風格分類………… 78

4.3言聽計從: 語音識別技術………… 82

4.4聽聲辨曲: 樂曲檢索技術………… 84

4.5本章小結………… 85

第五章冰雪聰明: 看懂視頻………… 87

5.1化靜為動: 從圖像到視頻………… 88

5.2明察秋毫: 視頻行為識別………… 90

5.3基於深度學習的視頻行為識別………… 98

5.4本章小結………… 103

第六章無師自通: 分門別類………… 105

6.1當人工智能未曾聽說花的名字………… 106

6.2物以類聚: 鳶尾花的K 均值聚類………… 108

6.3人以群分: 相冊中的人臉聚類………… 111

6.4層次聚類與生物聚類………… 118

6.5本章小結………… 119

第七章識文斷字: 理解文本………… 121

7.1任務的特點………… 122

7.2文本的特徵………… 124

7.3高屋建瓴: 發掘文本中潛在的主題………… 128

7.4投其所好: 基於主題的文本搜索與推薦………… 133

7.5本章小結………… 134

第八章神來之筆: 創作圖畫………… 135

8.1九層之台, 起於累土: 數據空間和數據分佈………… 136

8.2化腐朽為神奇的創作家: 生成網絡………… 140

8.3火眼金睛的鑑賞家: 判別網絡………… 142

8.4在對抗中合作與進步: 生成對抗網絡………… 145

8.5得心應手地創作: 條件生成對抗網絡………… 151

8.6本章小結………… 152

第九章運籌帷幄: 圍棋高手………… 153

9.1初窺門徑: 阿爾法狗的走棋網絡………… 155

9.2遠見卓識: 阿爾法狗的大局觀………… 158

9.3成就非凡: 阿爾法元………… 161

9.4本章小結………… 163

後記………… 165

參考文獻………… 167

第一章人工智能: 新時代的開啟

1.1跨越時空: 銘銘的一天

一天的開始

2028 年的一個早晨, 一縷陽光照進了臥室, 銘銘聽到了一個柔和的聲音:

“銘銘, 現在是2028 年3 月29 號早上7 點, 新的一天開始了!”

銘銘對這個聲音特別熟悉, 它是由智能家居系統所控制的臥室音響發出的。就像一位忠誠的管家, 這個系統日復一日分秒不差地照料著銘銘的生活。

銘銘緩緩地從床上坐起來。在他睜開雙眼的時候, 他看到前面的投影屏被點亮了, 屏幕里傳來了父親的問候。

銘銘的父親是一位著名的人工智能科學家。從小時候開始, 銘銘就從父親的實驗室裡接觸到早期的人工智能技術。有一次, 銘銘看到自己的照片在父親的電腦裡被分門別類地做成了拼圖。他的活潑, 他的歡笑, 他的狡黠, 在這些拼圖中如此真切。父親告訴他這一切都是電腦通過智能技術自動完成的, 這讓他感到了莫名的驚喜—這個不經意的瞬間不僅為他打開了一個充滿未知的世界, 也讓他體會到了一直忙於工作的父親對他的關愛。

銘銘決心把這份父愛傳承下去, 利用人工智能造福更多的人。於是, 他選擇成為一名人工智能工程師。

早餐時間: 信息的盛宴

起床後, 銘銘來到餐廳。烹飪機器人已經根據銘銘的口味愛好以及最近幾天的健康智能監測系統數據, 準備好了一份營養均衡的早餐: 一杯奶茶, 一盤調配得恰到好處的沙拉, 還有兩片他最愛吃的麵包。這樣一份健康可口的早餐, 讓他感到精力充沛, 心情愉悅。

在他吃早餐的時候, 餐廳的屏幕開始播放一天的新聞摘要。這是一個信息爆炸的時代, 這個城市每天產生的信息量比起十年前全世界的加起來的還要多。可是銘銘並沒有為此而煩惱。一個高效的個性化信息流系統每天都不斷地從海量的新信息中發掘他所關心的部分, 並以方便快捷的方式呈現在他面前。

在這個時代, 搜索引擎已經不那麼重要, 新興的智能網絡逐步取代了傳統互聯網。它們會在合適的時間、合適的地點, 以前所未有的效率把信息傳遞給每一個人。

上班路上: 車水馬龍間的愜意

從家裡出來, 銘銘看到他心愛的藍色電動轎車已經停在了家門前。轎車晚上是在車庫裡的。智能家居系統一直觀察著銘銘的行動, 在他出門之前, 就提前讓車子自主地開到家門前等待著。

銘銘來到車子前面的時候, 車門自動打開。上車後,車門又自動關上。在這一系列看似平凡的操作背後是一個自動身份驗證和動作識別模塊。在車的主人看來, 一切都配合得如此自然。可是當看到一個陌生人靠近時,車子會保持車門緊閉, 並向安全中心發出警報。

在車上, 銘銘聽到了一個柔和的聲音:“銘銘, 很高興和您再見面。您現在是要去上班麼?”

在銘銘確認後, 車子開始啟動。因為一個巡迴嘉年華剛好來到了這個城市, 今天路上的車輛和行人都特別多。可這並沒有給銘銘的座駕帶來多大的挑戰。在車載激光雷達以及各個方位的視頻傳感器的幫助下, 駕駛系統準確地檢測出了道路上每輛車子、每個行人的方位和動向, 精準地調整著行駛的速度和方向。整個車子自如地穿行於車水馬龍之間。

參觀醫院: 智能對生命的關懷

今天銘銘約了一個在醫院當主治醫生的朋友, 到他的工作現場實地觀看人工智能是如何為醫生提供幫助的。在這裡, 他看到一個危重病例被轉介到這裡會診。

病人心臟部位的核磁共振影像顯示在大屏幕上。醫院裡不久前剛升級的智能醫療影像分析系統已經對影像進行了掃描分析, 重點區域都被精細標註。這個系統集成了最新的醫療圖像模式識別的成果, 能夠準確地檢測數百種不同的病變模式。在這個系統的協助下, 醫生迅速確定了病因與病情,並和同事們一起設計了兩種治療方案, 一種進取, 一種保守。助手把兩種方案分別輸入模擬治療系統進行模擬測試。根據測試報告, 銘銘的朋友和他的同事們很快就判定: 使用進取方案是最優的。

從獲得影像到確定治療方案, 整個過程只花了幾個小時。即使在數年前這也是難以想像的。銘銘的朋友感慨說, 這樣複雜的病情, 在智能醫療系統被引入之前, 往往需要歷時多天的會診, 對很多不確定因素進行排查, 有時候甚至因此耽誤了最佳的治療時機。智能技術讓治療的效率大大提高了, 治療的效果也有了顯著的改善。

下班以後: 一次便捷的購物之旅

工作順利完成, 銘銘感到非常愉快。下班後, 銘銘決定給自己買一件新的襯衣。於是他驅車來到一家品牌服裝專賣店。

和這個城市的很多商店一樣, 這家老牌專賣店在幾年前進行了智能化改造, 已經成為一家智能商店。在銘銘進門的時刻, 商店的迎賓系統已經把他認出, 並在屏幕上顯示出對他的歡迎。商店的每一排衣服旁邊都立著智能試衣鏡, 當銘銘拿著衣服來到試衣鏡前, 鏡子中顯示出他穿著新衣服時的三維形象。得益於姿態檢測與三維人體重建技術的突破, 智能試衣鏡合成出來的影像非常逼真, 而且能自如地配合銘銘擺出的各種姿勢, 跟真正試穿的體驗沒有差別。

銘銘對自己新買的衣服非常滿意。離開商店後, 他第一時間把試衣的影像發給父親。在回家的路上, 銘銘在座駕的擋風玻璃上看到了父親的回复:

“嗯, 你的品位很有長進, 快趕上爸爸了。”

思考與討論

同學們, 看完銘銘的故事, 對人工智能是不是有了更直接的印象呢?請談談你對未來人工智能生活的想像。

銘銘在十年後的生活是令人憧憬的。這樣的生活其實離我們並不遙遠。在人工智能浪潮的驅動下, 這一切正在一步步地被實現。為了創造新的智能生活, 讓我們一起來了解人工智能的知識吧。