任务2　了解计算机新技术

随着计算机网络的发展，计算机技术不断创新发展，近年来云计算、大数据、VR、AR、MR、CR、AI、3D打印和“互联网+”等计算机新技术及应用，不仅给信息技术领域带来重大影响，更对社会的发展起到积极的促进作用。

1.2.1　任务描述

李伟最近使用计算机时发现，网页中经常会推荐一些他曾经搜索或关注过的信息；在游乐园中玩一些“身临其境”项目。李伟觉得太神奇了，越来越多的新技术被应用到工作和生活中，由此对计算机新兴技术非常感兴趣，想弄明白是怎么回事，通过各种途径查阅资料，学习相关的知识，了解这些新技术及其应用。

1.2.2　任务分析

要完成这项任务，首先要了解云计算、大数据技术及应用；其次要明白近几年新兴计算机技术如VR等。

1.2.3　任务实施

李伟通过查阅资料后明白，原来网页中经常会推荐一些他曾经搜索或关注过的信息是云计算、大数据技术应用的结果，它将用户的使用习惯、搜索习惯记录到数据库中，应用独特的算法计算出用户可能对什么感兴趣或对什么有需求，然后将相同的类目推荐到用户眼前。“身临其境”的游乐项目是运用VR、AR等新技术来实现的。

1．云计算

云计算是国家战略性新兴产业，是基于互联网服务的增加、使用和交付模式。云计算通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源，是传统计算机和网络技术发展融合的产物。

云计算技术中主要包括3种角色，分别为资源的整合运营者、资源的使用者和终端客户。资源的整合运营者负责资源的整合输出，资源的使用者负责将资源转变为满足客户需求的应用，而终端客户则是资源的最终消费者。

云计算技术作为一项应用范围广、对产业影响深的技术，正逐步向各种产业渗透，产业的结构模式、技术模式和产品销售模式等都会随着云计算技术发生深刻的改变，进而影响人们的工作和生活。

2．认识大数据

数据是指存储在某种介质上包含信息的物理符号。进入电子时代后，人们生产数据的能力和数量得到飞速的提升，而这些数据的增加促使了大数据的产生。大数据是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理、处理的数据集合，对大数据进行分析不仅需要采用集群的方法获取强大的数据分析能力，还需要研究面向大数据的新数据分析算法。

针对大数据进行分析的大数据技术，是指为了传送、存储、分析和应用大数据而采用的软件和硬件技术，也可将其看作面向数据的高性能计算系统。从技术层面来看，大数据与云计算的关系密不可分，大数据采用分布式架构对海量数据进行分布式数据挖掘，这使它依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化技术。

3．VR

VR（Virtual Reality）即虚拟现实，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。虚拟现实技术可以使用计算机生成一种模拟环境，通过多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，带给用户身临其境的体验。

虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。其中，模拟环境是指由计算机生成的实时动态的三维图像；感知是指一切人所具有的感知，包括视觉、听觉、触觉、力觉、运动感知，甚至包括嗅觉和味觉等；自然技能是指计算机对人体行为动作数据进行处理，并对用户输入做出实时响应；传感设备是指三维交互设备。图1-24所示为VR眼镜。

虚拟现实技术将人类带入了三维信息视角，通过虚拟现实技术，人们可以全角度观看电影、比赛、风景、新闻等，VR游戏技术甚至可以追踪用户的工作行为，对用户的移动、步态等进行追踪和交互，如图1-25所示。

1.2.4　知识储备

1．云计算技术

云计算技术是硬件技术和网络技术发展到一定阶段出现的新技术，是对实现云计算模式所需的所有技术的总称。分布式计算技术、虚拟化技术、网络技术、服务器技术、数据中心技术、云计算平台技术、分布式存储技术等都属于云计算技术的范畴。云计算技术意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。

2．云计算的特点

传统计算模式向云计算模式发展如同单台发电模式向集中供电模式的转变，云计算是将计算任务分布在由大量计算机构成的资源池上，使用户能够按需获取计算能力、存储空间和信息服务。与传统的资源提供方式相比，云计算主要具有以下特点。

（1）可扩展性高。云计算是一种由资源低效的分散使用到资源高效的集中化使用的转变。传统分散在不同计算机上的资源，其利用率非常低，通常会造成资源的极大浪费。而云计算将资源集中起来，资源的利用效率会大大提升。资源的集中化和资源需求的不断提高，也对资源池的可扩张性提出了要求，因此云计算系统只有具备优秀的资源扩张能力才能方便新资源的加入，有效满足对不断增长的资源需求。

（2）按需服务。对于用户而言，云计算系统的优点是可以适应自身对资源不断变化的需求。云计算系统按需向用户提供资源，用户只需为自己实际消费的资源量付费，而不必自己购买和维护大量固定的硬件资源。这不仅为用户节约了成本，还可促使应用软件的开发者创造出更多有趣和实用的应用。同时，按需服务让用户在服务选择上具有更大的空间，用户可以通过缴纳不同的费用来获取不同层次的服务。

（3）虚拟化。云计算利用软件来实现硬件资源的虚拟化管理、调度及应用，支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。通过“云”这个庞大的资源池，用户可以方便地使用网络资源、计算资源、数据库资源、硬件资源、存储资源等，大大降低了维护成本，提高了资源的利用率。

（4）可靠性和安全性高。在云计算中，用户数据存储在服务器端，应用程序在服务器端运行，计算由服务器端处理，数据被复制到多个服务器节点上。当某一个节点任务失败时，即可在该节点终止，再启动另一个程序或节点，保证应用和计算正常进行。

（5）网络化的资源接入。云计算系统的应用需要网络的支撑，才能为最终用户提供服务，网络技术的发展是推动云计算出现的首要动力。

3．云计算的应用

随着云计算技术产品、解决方案的不断成熟，云计算的应用领域也不断发生扩展，衍生出了云制造、教育云、环保云、物流云、云安全、云存储、云游戏、移动云计算等各种功能，对医药医疗领域、制造领域、金融与能源领域、电子政务领域、教育科研领域的影响巨大，为数据存储、虚拟办公等方面也提供了非常大的便利。下面介绍常见的3种云计算应用。

（1）云安全。

云安全是云计算的重要分支，在反病毒领域获得了广泛应用。云安全技术可以通过网状的大量客户端对网络中软件的异常行为进行监测，获取互联网中木马和恶意程序的最新信息，自动分析和处理信息，并将解决方案发送到每一个客户端。

云安全融合了并行处理、网格计算、未知病毒行为判断等新兴技术和概念，理论上可以把病毒的传播范围控制在一定区域内，且整个云安全网络对病毒的上报和查杀速度非常快，在反病毒领域中意义重大。但所涉及的安全问题也非常广泛，对于最终用户而言，需要了解云安全技术在用户身份安全、共享业务安全和用户数据安全等方面的问题。

①用户身份安全。用户登录到云端使用应用与服务，系统在确保使用者身份合法之后才为其提供服务，如果非法用户取得了用户身份，则会对合法用户的数据和业务产生危害。

②共享业务安全。云计算通过虚拟化技术实现资源共享调用，可以提高资源的利用率，但同时共享也会带来安全问题。云计算不仅需要保证用户资源间的隔离，还要针对虚拟机、虚拟交换机、虚拟存储等虚拟对象提供安全保护策略。

③用户数据安全。数据安全问题包括数据丢失、泄露、篡改等，因此应对数据采取复制、存储加密等有效的保护措施，确保数据的安全。此外，账户、服务和通信劫持，不安全的应用程序接口，操作错误等问题也会对云安全造成隐患。

云安全系统的建立并非轻而易举，要想保证系统正常运行，不仅需要海量的客户端、专业的反病毒技术和经验、大量的资金和技术投入，还应提供开放的系统，让大量合作伙伴加入。

（2）云存储。

云存储是一种新兴的网络存储技术，可将存储资源放到云上供用户存取。云存储通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等功能将网络中大量不同类型的存储设备集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能。通过云存储，用户可以在任何时间、任何地点，将任何可联网的装置连接到云上存取数据。

在使用云存储功能时，用户只需要为实际使用的存储容量付费，不用额外安装物理存储设备，减少成本。但云存储也反映了一些可能存在的问题，例如，如果用户在云存储中保存重要数据，则数据安全可能存在潜在隐患，其可靠性和可用性取决于广域网（WAN）的可用性和服务提供商的预防措施等级。对于一些具有特定记录保留需求的用户，在采用云存储的过程中还需进一步了解和掌握云存储。

提示：云盘也是一种以云计算为基础的网络存储技术，目前，各大互联网企业也在陆续开发自己的云盘，如百度云盘等。

（3）云游戏。

云游戏是一种以云计算技术为基础的在线游戏技术，云游戏模式中的所有游戏都在服务器端运行，并通过网络将渲染后的游戏画面压缩传送给用户。

云游戏技术主要包括云端完成游戏运行与画面渲染的云计算技术，以及玩家终端与云端间的流媒体传输技术。对于云游戏运营商而言，只需花费服务器升级的成本，而不需要不断投入巨额的新主机研发费用；对于游戏玩家而言，玩家的游戏终端无须拥有强大的图形运算与数据处理能力等，只需拥有基本的流媒体播放能力与获取玩家输入指令并发送给云端服务器的能力即可。

4．大数据处理的基本流程

大数据处理的数据源类型多种多样，在不同的场合通常需要使用不同的处理方法。在处理大数据的过程中，通常需要经过采集、导入、预处理、统计分析、数据挖掘和数据展现等步骤。在合适的工具辅助下，对不同类型的数据源进行融合、取样和分析，按照一定的标准统一存储数据，并通过去噪等数据分析技术对其进行降维处理，然后进行分类或群集，最后提取信息，选择可视化方式将结果展示给终端用户。

（1）数据抽取和集成。数据的抽取和集成是大数据处理的第一步，从抽取数据中提取关系和实体，经过关联和聚合等操作，按照统一定义的格式对数据进行存储。如基于物化或数据仓库技术方法的引擎（Materialization or ETL Engine）、基于联邦数据库或中间件方法的引擎（Federation Engine or Mediator）和基于数据流方法的引擎（Stream Engine）均是现有主流的数据抽取和集成方式。

（2）数据分析。数据分析是大数据处理的核心步骤，在决策支持、商业智能、推荐系统、预测系统中应用广泛。在从异构的数据源中获取了原始数据后，将数据导入一个集中的大型分布式数据库或分布式存储集群，进行一些基本的预处理工作，然后根据自己的需求对原始数据进行分析，如数据挖掘、机器学习、数据统计等。

（3）数据解释和展现。在完成数据的分析后，应该使用合适的、便于理解的展示方式将正确的数据处理结果展示给终端用户，可视化和人机交互是数据解释的主要技术。

5．大数据的典型应用案例

在以云计算为代表的技术创新背景下，收集和处理数据变得更加简便，国务院在印发的《促进大数据发展行动纲要》中系统地部署了大数据发展工作，通过各行各业的不断创新，大数据也将创造更多价值，下面对大数据典型应用案例进行介绍。

（1）高能物理。高能物理是一个与大数据联系十分紧密的学科。科学家往往要从大量的数据中发现一些小概率的粒子事件，如比较典型的离线处理方式，由探测器组负责在实验时获取数据，而最新的LHC实验每年采集的数据高达15PB。高能物理中的数据不仅海量，而且没有关联性，要从海量数据中提取有用的事件，就可以使用并行计算技术对各个数据文件进行较为独立的分析处理。

（2）推荐系统。推荐系统可以通过电子商务网站向用户提供商品信息和建议，如商品推荐、新闻推荐、视频推荐等。而实现推荐过程则需要依赖大数据，用户在访问网站时，网站会记录和分析用户的行为并建立模型，将该模型与数据库中的产品进行匹配后，才能完成推荐过程。为了实现这个推荐过程，需要存储海量的客户访问信息，并基于大量数据的分析，推荐出与用户行为相符合的内容。

（3）搜索引擎系统。搜索引擎系统是常见的大数据系统，为了有效地完成互联网上数量巨大的信息的收集、分类和处理工作，搜索引擎系统大多基于集群架构。搜索引擎系统的发展历程为大数据研究积累了宝贵的经验。

6．其他新兴技术

（1）AR。

增强现实技术（Augmented Reality，AR）是一种实时计算摄像机影像位置及角度，并赋予其相应图像、视频、3D模型的技术。增强现实技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套入现实世界，然后与之互动。虚拟现实技术是百分之百的虚拟世界，而增强现实技术则是以现实世界的实体为主体，借助数字技术让用户可以探索现实世界并与之交互。虚拟现实看到的场景、人物都是虚拟的，增强现实技术看到的场景、人物半真半假，现实场景和虚拟场景的结合需借助摄像头进行拍摄，在拍摄画面的基础上结合虚拟画面进行展示和互动。

增强现实技术包含多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等多项新技术。增强现实技术与虚拟现实技术的应用领域类似，如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等。但增强现实技术对真实环境进行增强显示输出的特性，使其在医疗、军事、古迹复原、工业维修、网络视频通信、电视转播、娱乐游戏、旅游展览、建设规划等领域的表现更加出色。

（2）MR。

混合现实（Mixed Reality，MR）技术可以看作VR技术和AR技术的集合，VR技术是纯虚拟数字画面，AR技术在虚拟数字画面上加上裸眼现实，MR技术则是数字化现实加上虚拟数字画面，它结合了VR技术与AR技术的优势。利用MR技术，用户不仅可以看到真实世界，还可以看到虚拟物体，将虚拟物体置于真实世界中，让用户与虚拟物体进行互动。

（3）CR。

影像现实（Cinematic Reality，CR）是Google投资的Magic Leap提出的概念，通过光波传导棱镜设计，多角度将画面直接投射于用户的视网膜，直接与视网膜交互，产生真实的影响和效果。CR技术与MR技术的理念类似，都是物理世界与虚拟世界的集合，所完成的任务、应用的场景、提供的内容，都与MR技术相似，与MR技术的投射显示技术相比，CR技术虽然投射方式不同，但本质上仍是MR技术的不同实现方式。

（4）AI。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是计算机科学的一个分支，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兴技术科学。具体来说，人工智能技术的应用就是研究智能的实质，并生产出一种新的能模拟人类做出反应的智能机器，如机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能涉及计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科，几乎包括自然科学和社会科学的所有学科。人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，人工智能处于思维科学的技术应用层次，是一个应用分支。人工智能可以模拟人的意识、思考信息的过程，它不是人的智能，但能像人一样思考，也可能超过人的智能。

人工智能在现代社会中的应用主要表现在机器视觉、指纹识别、人脸识别、视网膜识别、虹膜识别、掌纹识别、专家系统、自动规划、智能搜索、定理证明、博弈、自动程序设计、智能控制、机器人学、语言和图像理解、遗传编程等方面。

人工智能在计算机上的实现主要有以下两种方法。

①工程学方法（Engineering Approach）。即采用传统的编程技术，使系统呈现智能效果，不考虑所用方法是否与人或生物相同，如文字识别、计算机下棋等。

②模拟法（Modeling Approach）。该方法不仅注重效果，还要求实现方法与人或生物机体所用的方法相同或类似，例如，遗传算法和人工神经网络。遗传算法模拟人类或生物的遗传进化机制，而人工神经网络则是模拟人类或生物大脑中神经细胞的活动方式。

采用工程学方法时，需要人工详细编写程序逻辑，如果内容复杂，角色数量和活动空间增加，相应的逻辑就会更复杂（按指数式增长），人工编程会非常烦琐，容易出错。若采用模拟法，则编程者为每一个角色设计一个智能系统进行控制，这个智能系统刚开始能完成的操作非常简单，但能渐渐地适应环境，应付各种复杂情况。利用模拟法实现人工智能，要求编程者具有生物学的思考方法，入门难度大，但应用范围广，且无须详细规定角色的活动规律，应用于复杂问题时，通常会比工程学方法更省力。

（5）3D打印。

3D打印技术是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造三维物体。

3D打印需借助3D打印机来实现，3D打印机的工作原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器按照程序把产品一层一层地打印出来。可用于3D打印的介质种类非常多，如塑料、金属、陶瓷、橡胶类物质等，还能结合不同介质，打印出不同质感和硬度的物品，如图1-26所示。

3D打印技术作为一种新兴的技术，在模具制造、工业设计等领域应用广泛，可在产品制造的过程中直接使用3D打印技术打印出零部件。同时，3D打印技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程施工、汽车、航空航天、医疗、教育、地理信息系统、土木工程等领域都有所应用。

（6）“互联网+”。

“互联网+”即“互联网+各个传统行业”的简称，它利用信息通信技术和互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造出新的发展业态。“互联网+”是一种新的经济发展形态，它充分发挥了互联网在社会资源配置中的优化和集成作用，将互联网的创新成果深度融合于经济、社会的各领域中，以提升全社会的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的新经济发展形态。

“互联网+”是从当前信息化发展的核心特征中提取出来的，并与工业、商业和金融业等服务行业全面融合。实现这一融合的关键在于创新，只有创新才能让其具有真正价值和意义，因此，“互联网+”是创新2.0下的互联网发展新业态，是知识社会创新2.0推动下的经济社会发展新形态的演进。

①“互联网+”的主要特征。

“互联网+”主要有以下几项特征。

a．跨界融合。利用互联网与传统行业进行变革、开放和重塑融合，使创新的基础更坚实，实现群体智能，缩短研发到产业化的路程。

b．创新驱动。创新驱动发展是互联网的特质，适合我国目前经济发展方式，而用互联网思维来变革、求发展，也更能发挥创新的力量。

c．重塑结构。在新时代的信息革命、全球化中，互联网行业打破了原有的各种结构，使得权力、议事规则、话语权不断在发生变化。互联网+社会治理、虚拟社会治理与传统的社会结构有很大的不同。

d．尊重人性。对人性最大限度的尊重、对人体验的敬畏和对人创造性发挥的重视是互联网经济的根本所在。

e．开放生态。生态的本身是开放的，而“互联网+”就是要把孤岛式创新连接起来，让研发由市场决定，让创业者有机会实现价值。

f．连接一切。连接是有层次的，可连接性也可能有差异，导致连接的价值相差很大，但连接一切是“互联网+”的目标。

g．法制经济。“互联网+”是建立在以市场经济为基础的法制经济之上的，它更加注重对创新的法律保护，增加了对知识产权的保护范围，使全世界对于虚拟经济的法律保护更加趋向于共通。

②“互联网+”对消费模式的影响。

互联网与传统行业的融合，对消费者主要有以下影响。

a．满足了消费需求，使消费具有互动性。在“互联网+消费”模式中，互联网为消费者和商家搭建了快捷且实用的互动平台，供给方直接与需求方互动，省去中间环节，直接形成消费流通环节。同时，消费者还可通过互联网直接将自身的个性化需求提供给供给方，亲自参与到商品和服务的生产中，生产者则根据消费者对产品外形、性能等要求提供个性化商品。

b．优化了消费结构，使消费更具有合理性。互联网提供的快捷选择、快捷支付的舒适性，让消费者的消费习惯进入享受型和发展型消费的新阶段。同时，互联网信息技术有利于实现空间分散、时间错位之间的供求匹配，从而可以更好地提高供求双方的福利水平，优化升级基本需求。

c．扩展了消费范围，使消费具有无边界性。首先，消费者在商品服务的选择上没有了范围限制，互联网有无限的商品来满足消费者的需求；其次，互联网消费突破了空间的限制；再次，消费者的购买效率得到了充分的提高；最后，互联网提供的信息是无边界的。

d．改变了消费行为，使消费具有分享性。互联网的时效性、综合性、互动性和使用便利性使得消费者能方便地分享商品的价格、性能、使用感受，这种信息体验对消费模式转型也发挥着越来越重要的作用。

e．丰富了消费信息，使消费具有自主性。互联网把产品、信息、应用和服务连接起来，使消费者可以方便地找到同类产品的信息，并根据其他消费者的消费心得、消费评价做出是否购买的决定，强化了消费者自由选择、自主消费的权益。

③“互联网+”的典型应用案例。

a．“互联网+”是为了促进更多的互联网创业项目诞生的，从而无须再耗费人力、物力和财力去研究与实施行业转型。

b．“互联网+通信”。互联网与通信行业的融合产生了即时通信工具，如QQ、微信等。互联网的出现并不会彻底颠覆通信行业，反而会促进运营商进行相关业务的变革升级。

c．“互联网+购物”。互联网与购物进行融合产生了一系列的电商购物平台，如淘宝、京东等。互联网的出现让消费者能够更加舒适地消费，足不出户便能买到自己需要的物品。

d．“互联网+饮食”。互联网与饮食行业的融合产生了一系列美食App，如美团、大众点评等。

e．“互联网+出行”。互联网与交通行业的融合产生了低碳交通工具，如摩拜等。虽然这种低碳交通工具目前在全世界不同的地方仍存在争议，但通过把移动互联网和传统的交通出行相结合，改善了出行方式，增加了车辆的使用率，推动了互联网共享经济的发展。

f．“互联网+交易”。互联网与金融交易行业融合，产生了快捷支付工具，如支付宝、微信支付等。

g．“互联网+企业政府”。互联网将交通、医疗、社保等一系列政府服务融合在一起，让原来需要繁杂手续才能办理的业务通过互联网完成，这既节省了时间，也提高了效率。例如，阿里巴巴和腾讯等互联网公司通过自有的云计算服务逐渐为地方政府搭建政务数据后台，形成了统一的数据池，实现对政务数据的统一管理。

1.2.5　任务强化

（1）进入天猫、京东等购物平台，搜索自己喜爱的商品，体验一下网站是否在利用云计算、大数据技术推送同类商品。

（2）在网上查看VR、AR、MR、CR、AI、3D打印等计算机新技术的典型应用，无人驾驶汽车的实现需要哪些技术？