人工智慧基礎

當你向智慧音箱詢問今天天氣時，它透過語音識別技術聽懂了你的問題。當你拿起最新的智慧型手機時，它自動解鎖打開，因為它透過人臉驗證技術認出了主人。當你打開電商網站，你可能在第一時間就看到了自己最喜歡的商品，因為它從你和你朋友的購買紀錄中，透過大數據分析技術了解你的興趣。當你開著新的電動汽車在風景優美的高速公路上疾馳時，車載智慧系統也在默默地守護著你，不斷地監測著可能的危險，並適時發出提醒。

這一切，僅僅只是一個開始。

很多在十年前仍是科幻小說裡的場景，今天已經成為我們真實的生活經歷。那麼，在人工智慧浪潮的驅動下，十年之後我們會生活在什麼樣的世界裡呢？

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，銘銘聽到一個柔和的聲音：

「銘銘，現在是2028年3月29日早上7點，新的一天開始了！」

銘銘對這個聲音特別熟悉，它是由智慧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，他看到前面的投影螢幕被點亮了，螢幕裡傳來了父親的問候。

銘銘的父親是一位著名的人工智慧科學家。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慧技術。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、他的靈敏，在這些拼圖中如此真切。父親告訴他，這一切都是電腦透過智慧技術自動完成的，這讓他感到莫名驚喜—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，利用人工智慧造福更多人。於是，他選擇成為一名人工智慧工程師。

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喜好以及最近幾天的健康智慧監測系統資料，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，餐廳的螢幕開始播放一天新聞摘要。這是一個資訊爆炸的時代，這個城市每天產生的資訊量，比起十年前全世界加總的還要多。可是銘銘並沒有為此而煩惱。一個高效的個人化資訊流系統，每天都不斷地從巨量新資訊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，搜尋引擎已經不那麼重要，新興的智慧型網路逐步取代了傳統網際網路。它們會在合適的時間、合適的地點，以前所未有的效率把資訊傳遞給每一個人。

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家門口。轎車晚上是在車庫裡的。智慧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口等待著。

銘銘來到車子前面時，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，是一個自動身分驗證和動作識別模組。在車子的主人看來，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。您現在是要去上班嗎？」

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，但是並沒有給銘銘的車子帶來多大的挑戰。在車載雷射雷達以及各方位的視訊影像感測器幫助下，駕駛系統準確地檢測出道路上每輛車子、每個行人的方位和動向，精準地調整著行駛的速度和方向。整個車子自如地穿梭於車水馬龍之間。

參觀醫院：人工智慧對生命的關懷

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慧是如何為醫生提供幫助。在這裡，他看到一個嚴重病例被轉介到此進行會診。

病人心臟部位的核磁共振影像顯示在大螢幕上。醫院裡不久前剛升級的智慧醫療影像分析系統已對影像進行了掃描分析，重點區域都被仔細標注。這個系統整合了最新的醫療圖像模式識別成果，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，一種積極，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，在智慧醫療系統被引入之前，往往需要歷時多天會診，對很多不確定因素進行檢查，有時候甚至因此耽誤了最佳的治療時機。智慧技術讓治療的效率大大提高，治療的效果也有顯著改善。

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，決定給自己買一件新的襯衫。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慧化改造，已經成為一家智慧商店。在銘銘進門時，商店的迎賓系統已經認出他，並在螢幕上顯示出對他的歡迎。商店的每一排衣服旁都放著智慧試衣鏡，當銘銘拿著衣服來到試衣鏡前，鏡中顯示出他穿著新衣服時的3D影像。得益於姿態檢測與3D人體重建技術的突破，智慧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，銘銘在車子的擋風玻璃上看到了父親的回覆：

「嗯，你的品位很有長進，快趕上爸爸了。」

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

當你向智慧音箱詢問今天天氣時，它透過語音識別技術聽懂了你的問題。當你拿起最新的智慧型手機時，它自動解鎖打開，因為它透過人臉驗證技術認出了主人。當你打開電商網站，你可能在第一時間就看到了自己最喜歡的商品，因為它從你和你朋友的購買紀錄中，透過大數據分析技術了解你的興趣。當你開著新的電動汽車在風景優美的高速公路上疾馳時，車載智慧系統也在默默地守護著你，不斷地監測著可能的危險，並適時發出提醒。

這一切，僅僅只是一個開始。

很多在十年前仍是科幻小說裡的場景，今天已經成為我們真實的生活經歷。那麼，在人工智慧...

起源於1943年的人工智慧，可以算是經過了三波起起伏伏的浪潮。第1波興起於1956年至1974年間，但在1974年至1980年間，由於電腦效能的限制與技術瓶頸陷入了谷底。第2波浪潮起於1980年至1987年間，受益於電腦的普及，但是系統的侷限性與維護成本的龐大，在1987年到1993年間，再度陷入低點。而自2010年之後，伴隨著高性能電腦、網際網路、大數據、感測的普及，以及計算成本的下降，機器學習的浪潮再度帶動了人工智慧的浪潮，而這波浪潮日益洶湧，迄今仍方興未艾。

綜觀人工智慧的書籍，常見的有兩大類型，一是講述了許多人工智慧帶來的巨大變革，但對實務上採用的技術與方法著墨不多；另一類則是深入介紹演算法為主，但卻因為著重於技術層面，對於初學者或非數理專業背景的讀者的學習有相當高的門檻。幸而經由五南圖書王正華主編的邀請，參與此書在臺出版的校訂，因而有機會接觸此一圖書，著實認為其內容的編排與涵蓋的範圍，相當符合有意跨進人工智慧領域的學習圖書。本書內容陳述淺顯，透過實例搭配對應的人工智慧和解決方案的鋪陳，提供讀者先能有情境的涉入，再依據作業原理解說其運行的方法。尤其是演算法或計算公式，透過大量生動活潑的圖片解說，縱使沒有程式或數理背景的讀者，也能輕鬆的了解與學習。

校訂的過程相當順利，除了本書撰寫的作者，包括華東師範大學慕課中心與上海市六所重點中學的老師都是一時之選；另一方面，在出版前也針對教材編寫的內容，經過多次的討論與規劃，使得本書主題涵蓋完整、理論清晰且又容易閱讀，相當值得推薦。

起源於1943年的人工智慧，可以算是經過了三波起起伏伏的浪潮。第1波興起於1956年至1974年間，但在1974年至1980年間，由於電腦效能的限制與技術瓶頸陷入了谷底。第2波浪潮起於1980年至1987年間，受益於電腦的普及，但是系統的侷限性與維護成本的龐大，在1987年到1993年間，再度陷入低點。而自2010年之後，伴隨著高性能電腦、網際網路、大數據、感測的普及，以及計算成本的下降，機器學習的浪潮再度帶動了人工智慧的浪潮，而這波浪潮日益洶湧，迄今仍方興未艾。

綜觀人工智慧的書籍，常見的有兩大類型，一是講述了許多人工智慧帶來的巨大變...

親愛的讀者：

人工智慧（Artificial Intelligence）正在全球迅速崛起，已經影響了我們生活的各方面，你感受到了嗎？2016與2017年由於AlphaGo與AlphaGo Zero以無可爭辯的能力戰勝了李世、柯潔等人類圍棋高手而名噪一時；在無人駕駛等領域，人工智慧也大顯身手，且顯示出越來越強的能力；圖像識別、語音辨識技術的日益成熟，已為人們的生活帶來極大便利。由此，人們才感受到人工智慧的時代已經到來，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，與自然和睦相處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，一直試圖在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祕密，尋求大腦發展之途。

經過數千年的努力，人類在這些方面已經取得巨大成就。在勞動中，我們的祖先發明了各種工具，減低了人類的體力耗損，提高了勞動的效率。然而，人類並沒有滿足於這些成就，在體力得到一定程度保留下時，人工智慧由此應運而生。

人工智慧是從圖靈提出「圖靈測試」開始的。艾倫．圖靈（Alan Turing)是英國著名的數學家和邏輯學家，被稱為電腦科學之父、人工智慧之父，是電腦邏輯的奠基者，曾協助英國軍方破解德國著名的密碼系統「謎」（Enigma），幫助盟軍獲得二戰的勝利。他提出的「圖靈機」和「圖靈測試」等概念，是電腦科學和人工智慧發展的重要基石，為紀念其在電腦領域的卓越貢獻，人們以其名設立了「圖靈獎」，且以圖靈為代表的先驅科學家們開創了一個創新的學科—人工智慧。

風雲際會，潮起潮落，在數十年的發展中，人工智慧有過高潮，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，人工智慧終於迎來了指數式的增長。2017年7月，中國國務院發布「新一代人工智慧發展規劃」，特別強調「加快人工智慧創新應用」。文件中要求「利用智慧技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智慧學習、互動式學習的新型教育體系」；「開展智能校園建設，推動人工智慧在教學、管理、資源建設等全程應用」；「廣泛開展人工智慧科普活動」，「實施全民智能教育專案，在中小學階段設置人工智慧相關課程」；「支持開展人工智慧競賽，開發立體綜合教學場域、植基於大數據智能的線上學習教育平臺」。這就是對人工智慧教育提出了新的任務。

商湯科技是中國人工智慧領域的「獨角獸」，在該領域有著豐富的成果。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慧發展的戰略高地。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慧的價值，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慧教材（高中版）。

與您讀過的其他教材不同，本教材以「手腦結合」為主要學習方式，在提供必要的基礎知識之後，就需要您動手做一些實驗，特別希望您發揮發獨特的想像力，在您高中階段有限的時間中，設計有可能完成的項目，並動手將其轉化為獨具特色的作品。相信您在此一過程中能夠享受到創造的無窮樂趣。

當然，人工智慧是技術極高的領域，尤其是一些用到高等數學的演算法，可能已經超出您已學過的範圍，有些甚至超出了大學本科的範圍，為使您能深入了解人工智慧的原理，本教材這對這些演算法只做定性的介紹，其定量的部分留待您以後再學。商湯已將這些演算法開放在其教學實驗平臺之中，提供讀者在動手進行時使用。

作為試驗教材，錯誤與不當之處在所難免，歡迎讀者們在使用過程中提出批評與改進建議。本教材的目標是：讓讀者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（A. H. Maslow）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」鰡。本教材的編者深以為然，更期盼著閱讀本教材的讀者能以更大的勇氣去創新與創造。

親愛的讀者：

人工智慧（Artificial Intelligence）正在全球迅速崛起，已經影響了我們生活的各方面，你感受到了嗎？2016與2017年由於AlphaGo與AlphaGo Zero以無可爭辯的能力戰勝了李世、柯潔等人類圍棋高手而名噪一時；在無人駕駛等領域，人工智慧也大顯身手，且顯示出越來越強的能力；圖像識別、語音辨識技術的日益成熟，已為人們的生活帶來極大便利。由此，人們才感受到人工智慧的時代已經到來，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，與自然和睦相處是人類唯一的生存之道。母親幫助我們將手從...

第一章　人工智慧：新時代的開啟
1.1　跨越時空：銘銘的一天
1.2　光輝歲月：人工智慧簡史
1.3　百花齊放：人工智慧在各行各業的應用
1.4　初露真容：人工智慧與機器學習
1.5　本章小結
第二章　牛刀小試：察異辨花
2.1　初學乍練：分類任務
2.2　含英咀華：提取特徵
2.3　分門別類：分類器
2.4　實踐出真知：測試和應用
2.5　五花八門：多類別分類
2.6　大顯身手：二分類在生活中的應用
2.7　本章小結
第三章　別具慧眼：識圖認物
3.1　溫故知新：基於手工特徵的圖像分類
3.2　另闢蹊徑：基於深度神經網路的圖像分類
3.3　「網」不厭深：深度神經網路的發展與挑戰
3.4　忽如一夜春風來：圖像分類在日常生活中的應用
3.5　本章小結
第四章　耳聽八方：析音賞樂
4.1　洗耳恭聽：聽聲的藝術
4.2　絲竹管弦：音樂風格分類
4.3　言聽計從：語音識別技術
4.4　聽聲辨曲：樂曲檢索技術
4.5　本章小結
第五章　冰雪聰明：看懂視訊
5.1　化靜為動：從圖像到視訊
5.2　明察秋毫：視訊行為識別
5.3　基於深度學習的視訊行為識別
5.4　本章小結
第六章　無師自通：分門別類
6.1　當人工智慧未曾聽說花的名字
6.2　物以類聚：鳶尾花的K均值聚類
6.3　人以群分：相簿中的人臉聚類
6.4　層次聚類與生物聚類
6.5　本章小結
第七章　識文斷字：理解文字
7.1　任務的特點
7.2　文字的特徵
7.3　高屋建瓴：發掘文字中潛在的主題
7.4　投其所好：基於主題的文字搜尋與推薦
7.5　本章小結
第八章　神來之筆：創作圖畫
8.1　九層之臺，起於累土：資料空間和資料分布
8.2　化腐朽為神奇的創作家：生成網路
8.3　火眼金睛的鑑賞家：判別網路
8.4　在對抗中合作與進步：生成對抗網路
8.5　得心應手地創作：條件生成對抗網路
8.6　本章小結
第九章　運籌帷幄：圍棋高手
9.1　初窺門徑：AlphaGo的走棋網路
9.2　遠見卓識：AlphaGo的大局觀
9.3　成就非凡：AlphaGo Zero
9.4　本章小結
後　記
參考文獻

第一章　人工智慧：新時代的開啟
1.1　跨越時空：銘銘的一天
1.2　光輝歲月：人工智慧簡史
1.3　百花齊放：人工智慧在各行各業的應用
1.4　初露真容：人工智慧與機器學習
1.5　本章小結
第二章　牛刀小試：察異辨花
2.1　初學乍練：分類任務
2.2　含英咀華：提取特徵
2.3　分門別類：分類器
2.4　實踐出真知：測試和應用
2.5　五花八門：多類別分類
2.6　大顯身手：二分類在生活中的應用
2.7　本章小結
第三章　別具慧眼：識圖認物
3.1　溫故知新：基於手工特徵的圖像分類
3.2　另闢蹊徑：基於深度神經網路的圖像分類
3....