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1、现代心理物理法现代心理物理法第1页，共54页，编辑于2022年，星期日内容内容n n阈限的概念n n阈限理论的发展n n信号检测论的原理第2页，共54页，编辑于2022年，星期日传统的阈限概念传统的阈限概念n n传统阈限概念起源于费希纳。n n从测量上考虑传统阈限的概念，后经卡特尔等人发展形成了费-伽马假设的传统觉察理论基础。这种觉察论假设有三个连续量：刺激、内部反应和判断。R0R1R2R3无有T阈限J判断R内部反应S0S1S2S3S刺激第3页，共54页，编辑于2022年，星期日传统阈限的异议传统阈限的异议n n经典的阈限测量没有考虑许多非感觉变量对被试的影响。在这些非感觉变量中，主要有下列两
2、种最为主要：n n1、刺激出现的概率n n2、反应代价第4页，共54页，编辑于2022年，星期日第5页，共54页，编辑于2022年，星期日研究课题研究课题n n现代心理物理学课题可分割为检测、认知、分辨和量表等四个基本问题：n n检测问题n n认知问题n n辨别差异问题n n量表问题第6页，共54页，编辑于2022年，星期日阈限的理论发展阈限的理论发展n n神经量子理论-对最小可觉察的重新解释n n史蒂文斯的幂定律第7页，共54页，编辑于2022年，星期日神经量子理论神经量子理论n n 神经量子理论（neural quantum theory）是由史蒂文斯等人（Stevensetal，1941
3、）提出用来解释阈限的一种理论。他们在响度和音高的辨别实验中，推论其基本神经过程是按全或无定律（或全有全无律）（all-or-none law）进行的。n n神经量子理论假设反应刺激变化过程的神经结构在机能上被分为各个单元或量子。具体地说，被试者只有在此增量大到足以兴奋一个附加的神经量子单位时，才能够察觉到刺激增量。第8页，共54页，编辑于2022年，星期日第9页，共54页，编辑于2022年，星期日n n继续加强增量，务必达到兴奋一个附加量子才会有一个最小可觉差。这样所得到的理论上的刺激-反应间关系曲线应是梯形跳跃式的。n n但是，在实际测量阈限的实验研究中，所得到的总是一条递加的拱形曲线（og
4、ive curve）。n n对于这内中的原因，史蒂文斯认为是在于缺少对被试的动机、注意疲劳等随机波动因素的全面控制。第10页，共54页，编辑于2022年，星期日史蒂文斯的幂定律史蒂文斯的幂定律n n20 世纪中叶，史蒂文斯对费希纳的对数定律进行了批评。1957 年，他根据多年的研究结果，提出了刺激强度和感觉量之间关系的幂定律：n n n n 其中：S 是感觉量；b 是由量表单位决定的常数；a 是感觉道和刺激强度决定的幂指数。第11页，共54页，编辑于2022年，星期日第二节信号检测论的原理第二节信号检测论的原理n n信号检测论的由来n n信号检测论的统计学原理n n信号检测论的二个独立指标n
5、n接受者操作特性曲线第12页，共54页，编辑于2022年，星期日信号检测论信号检测论n n1.电子侦察系统中的信号检测问题n n电子侦察系统中的关键问题是信息的传输和处理。第13页，共54页，编辑于2022年，星期日n n但是在传输过程中不可避免地会遇到：n n外界干扰和内部干扰；n n电磁波传播过程中无线电信号畸变；n n设备技术的不完善等因素的影响。n n信号中混入了很多噪音，使信息传输的可靠性降低，这是信息传输过程中的不利因素。第14页，共54页，编辑于2022年，星期日举例：雷达侦察系统n n假定所要侦察的信号是在亮度均匀的背景上出现的一个短暂的闪光。这里对信号侦察起干扰作用的背景叫做
6、噪音(noise，N)，短暂的闪光称作信号(signal,S)，因它是在均匀亮度的背景上出现的，所以又称信号加噪音，一般常写作SN。n n信号和噪音都是随机出现的。n n电子侦察系统包括一个光电传感器和一个侦察反应器，前者是接收信号的，后者是对信号作出反应的。第15页，共54页，编辑于2022年，星期日n n如果光电传感器的输出达到某一临界水平，侦察反应器就以“有闪光”反应，如果达不到这个临界水平，侦察反应器就以“没有闪光”反应。这个临界水平可以根据需要进行调节。第16页，共54页，编辑于2022年，星期日n n如果要求尽可能不漏掉信号，就得把反应的临界水平调得很低，但这要付出一定的代价，那就
7、是有时信号并没有出现，只要传感器的输出达到这个反应水平，侦察反应就出现“有信号”反应。此种情况用信号检测论的语言来说，叫“虚报”。n n如果把反应水平调得过低，漏掉的信号可能会很少，但虚报的可能性却会相当大。第17页，共54页，编辑于2022年，星期日n n反之，如果要求尽量减少虚报，就得把侦察反应器的反应水平调得很高。这样，在没有信号时虽然本会以“有信号”反应，但在有信号时传感器的输出由于达不到一定的反应水平，侦察器也不会以“有信号”反应。这样虚报的概率减少了，但报准(又称击中)的概率即不会很高。第18页，共54页，编辑于2022年，星期日n n从上述情况可以看出：虚报率与报准率都随着反应水
8、平的变化而变化。n n变化的原因？第19页，共54页，编辑于2022年，星期日n n这里必须分清两个问题:n n一个是电子侦察系统接收部分的辨别力问题n n另一个是判定反应部分对所收到信息如何处理的问题。n n信号检测论要解决的就是如何区分这两方面的问题。第20页，共54页，编辑于2022年，星期日2人类感知过程的信号检测问题n n人类的感知系统好比是一个信号觉察器，各感官都可看作是一个信息处理系统。我们把各种刺激看作是信号，把刺激的随机物理变化和感官信息处理中的随机变化看作是噪音。n n这普遍存在于各个实验之中，各感官对信号的分辨问题与电子侦察系统对信号的分辨非常相似。第21页，共54页，编
9、辑于2022年，星期日n n传统的心理物理学方法所测定的阈限，实际上包含着两方面的内容：一是对刺激的感受性或者叫做辨别刺激的能力，另一是被试判定刺激是否出现的标准。第22页，共54页，编辑于2022年，星期日n n尽管在使用这些传统的心理物理学方法时，曾考虑到被试的态度、偏好、倾向和所采用的标准对测量阈限所产生的影响，并且采取了一些措施来消除这些影响。n n例如在极限法中，采用渐增系列、渐减系列呈现例如在极限法中，采用渐增系列、渐减系列呈现刺激，用以平衡习惯误差和期望误差。刺激，用以平衡习惯误差和期望误差。n n又如用又如用AB法平衡练习误差和疲劳误差；用指导语规定被试的反应标准，并使之保持前
10、后一致；有时对被试事先加以训练，使其在实验中的反应保持稳定等等。第23页，共54页，编辑于2022年，星期日n n但这一系列的措施，只能是使影响阈限的估计因素保持恒定，并不能测出被试的反应标准，也不能把反应标准和辨别力分开。n n例如，恒定刺激法的三类反应。由于反应的偏好和自信程度不同，所测得的阈限往往差别很大。n n因此，把感受性和判断标准加以区分，是心理物理实验中早待解决的问题。第24页，共54页，编辑于2022年，星期日信号检测论的统计学原理信号检测论的统计学原理n n心理学上的信号检测实验一般是在信号和背景不易分清的条件下进行的。n n对信号检测起干扰作用的背景叫噪音n n这这“噪音噪
11、音”不仅是指纯音信号出现时其他的噪音而言的；在视觉实验中，伴随着亮点信号出现时的照度均匀的背景也叫做“噪音噪音”。n n总之，对信号起着干扰作用的因素都可当作“噪音”。n n一般的心理物理的辨别实验，其中包含着刺激A和刺激B。在这种情况下，可将其中一个刺激作为噪音，另一个作为信号。第25页，共54页，编辑于2022年，星期日n n主试呈现的刺激，有时只呈现“噪音”刺激（以N表示）；有时在信号刺激加噪音刺激同时呈现（以SN表示），让被试对信号刺激做出反应。n n在呈现刺激前，主试要先告诉被试者N和SN各自出现的概率，这个概率称为先定概率（或先验概率）；同时对被试者说明判定结果的奖惩办法（因为先定
12、概率和奖惩办法都将影响被试者的判定标准），每次实验呈现的是N还是SN是随机安排的。主试在呈现刺激之前（约2秒前）要先给被试者一个预备信号。第26页，共54页，编辑于2022年，星期日被试者对有无信号出现的判定被试者对有无信号出现的判定n n在信号检测实验中，被试者对有无信号出现的判定，可以有四种结果：n n1.击中 n n当信号出现时（当信号出现时（SNSN），被试报告为），被试报告为“有有”，这称为，这称为击中（击中（hithit），以），以Y/SNY/SN表示。我们把这个判定的概率表示。我们把这个判定的概率称为击中的条件概率，以称为击中的条件概率，以P P（H H）或）或P P（Y/SNY
13、/SN）表示。）表示。n n2.虚惊 n n当只有噪音出现时（当只有噪音出现时（N N），被试报告），被试报告“有有”，这称为，这称为虚惊（或误报）（虚惊（或误报）（false alarmfalse alarm），以），以Y/NY/N表示。我表示。我们把这个判定的概率称为虚惊条件概率，以们把这个判定的概率称为虚惊条件概率，以P P（FAFA）或或P P（Y/NY/N）表示。）表示。第27页，共54页，编辑于2022年，星期日n n3.漏报 n n当有信号出现时，被试报告为当有信号出现时，被试报告为“无无”，这称为漏报（或失察）（missmiss），以），以n/SNn/SN表示。把这种判定概表示
14、。把这种判定概率称为漏报条件概率，以率称为漏报条件概率，以P P（MM）或P P（n/SN）表示。）表示。n n4.正确否定 n n当无信号而只有噪音出现时，被试报告为当无信号而只有噪音出现时，被试报告为“无无”，称为正确否定（称为正确否定（correct rejectioncorrect rejection）或正确（correctcorrect），以n/N表示。我们把这个判定的条件概率称为正确否表示。我们把这个判定的条件概率称为正确否定的条件概率，以定的条件概率，以P P（CR）或）或P（n/Nn/N）来表示。）来表示。第28页，共54页，编辑于2022年，星期日n n这样，噪音背景下的信号
15、检测实验，在每种刺激状态下都存在二种反应可能，其组合就构成一个两择一判决矩阵，其中H和CR是正确反应，M和FA是错误反应。如果用概率表示，则有:n nP P（H H）P P（M M）=1=1n nP P（FAFA）P P（CRCR）=1=1第29页，共54页，编辑于2022年，星期日1.1.无噪音条件下的信号检测无噪音条件下的信号检测n n从统计学观点来看，信号检测即是要检验两个统计假设H0 0（无信号）和H1 1（有信号）的真伪。设想检测者测量单一变量X，并以此为根据选择H0 0或H1 1。在无噪音条件下，当X=A0 0时，H0 0为真；当X=A1 1时，H1 1为真。第30页，共54页，编
16、辑于2022年，星期日2.2.噪音背景下的信号检测噪音背景下的信号检测n n在噪音背景下，无信号时X并不总是等于A0 0，有信号时X也并不总是等于A1 1，而是分别形成两个概率分布P0 0（X）和P1 1（X）。这时，检测者需要确定一个反应标准Xc，将X分成二个值域，当XXc时，判定H0 0为真；当XXc时，判定H1 1为真。第31页，共54页，编辑于2022年，星期日信号检测论的两个独立指标n n根据信号检测论把刺激的判断看成对信号的侦察和做出抉择的过程。这样，在同一过程中就出现了两个独立指标：n n一个是一个是感觉辨别力指标（感觉辨别力指标（d），），表示感知能力，又表示感知能力，又称为感
17、觉敏感性；称为感觉敏感性；n n另一个是另一个是反应偏向，反应偏向，可用似然比值可用似然比值（），有时也），有时也用用报告标准报告标准（C C）来表示，它包括利益得失、动机、）来表示，它包括利益得失、动机、态度等因素。态度等因素。第32页，共54页，编辑于2022年，星期日似然比似然比 n n似然比 的数学定义为：区分“信号”与“噪音”反应的心理感受水平Xc 所对 应的信号分布纵轴与噪音分布纵轴之比。n n但是在信号检测论实验中，没有办法直接掌握心理感受水平Xc，因此是通过间接方法计算得出的。第33页，共54页，编辑于2022年，星期日n n图5-31A，击中概率为 0.28，虚惊概率则是0.
18、06，通过查PZO 转化表，求得O 击中击中的纵轴值为 0.3368，O 虚惊虚惊的纵轴值为0.1192。则n n一般认为，1 说明被试者掌握的标准较严。PSN(X)PN(X)图图5-31 在辨别力固定不变时，击中概率、虚惊概率和反应判定标准间的关系在辨别力固定不变时，击中概率、虚惊概率和反应判定标准间的关系第34页，共54页，编辑于2022年，星期日n n图5-31B，击中概率为 0.70，虚惊概率为 0.30，查表得 O 击中击中的纵轴值为 0.3478，O 虚惊虚惊的纵轴值为0.3478，值为 n n值接近或等于 1，说明被试者掌握的标准不严也不松第35页，共54页，编辑于2022年，星
19、期日第36页，共54页，编辑于2022年，星期日报告标准报告标准n n信号检测论中用以表示反应偏向的另一个指标是报告标准（report criterion）。在数学上，反应标准的另一种表示方法是感受经验强度，用符号C 表示。C 是横轴上的判定标准位置。在数学上，C 的单位要转换成刺激强度单位，它的计算公式是：第37页，共54页，编辑于2022年，星期日n n我们以心理学上再认实验来说明报告标准会出现的种种情况。n n再认实验一般有两组图片，一组是“新的”（即未见过的），一组是“旧的”（即已看过的）。在实验过程中，先让被试看一组图片，然后将其与另一组图片混合，被试在再认过程中，根据自己确定的标准
20、，回答“新的”或“旧的”。第38页，共54页，编辑于2022年，星期日n n这里包括两个指标，n n其中一个是感觉辨别力指标，亦称感觉敏感性，以d值表示。n n另一个值是判断标准，即个体反应偏向，以 C 值表示。C 值高表示被试者判断的标准严格，不轻易报告”旧的”图片；反之，C 值低表示被试者判断旧刺激的标准宽松，易把一些新刺激说成旧刺激。第39页，共54页，编辑于2022年，星期日n n（1）宽松的报告标准：旧刺激呈现时，报告”旧的”概率接近 1.0；新刺激呈现时，报告”旧的”概率是高的。图上表示：敏感性不变时，宽松的报告标准的结果图上表示：敏感性不变时，宽松的报告标准的结果第40页，共54
21、页，编辑于2022年，星期日n n（2）中等的报告标准。旧刺激呈现时，报告“旧的”概率是较高；新刺激呈现时，报告“旧的”概率适中。第41页，共54页，编辑于2022年，星期日n n（3）严格的报告标准：旧刺激呈现时，报告”旧的”概率是低的；新刺激呈现时，报告”旧的”概率接近0.0。第42页，共54页，编辑于2022年，星期日P击中=42/50=0.84 P虚惊=4/50=0.08第43页，共54页，编辑于2022年，星期日敏感性指标敏感性指标n n 敏感性可以表现为内部噪音分布fNN(X)与信号加噪音分布f SNSN(X)之间的分离程度。两者的分离程度越大，敏感性越高；分离程度越小，敏感性越低
22、。n n计算公式：d=Z击中击中-Z虚惊虚惊第44页，共54页，编辑于2022年，星期日n n下面我们通过固定反应偏向（）来看辨别力（d）的情况。本例设=1，则d可能出现三类情况：第45页，共54页，编辑于2022年，星期日n n（1）在输入感觉刺激非常敏感的情况下，当信号加噪声存在时，常常出现“肯定”，击中率为93；当噪声单独存在时，很少做出“肯定”，虚惊率为7，这时：第46页，共54页，编辑于2022年，星期日n n（2）当感觉鉴别能力降低时，“击中”和“虚惊”分布二者相互接近。例如当中等情况时，击中率为84；虚惊率为16，则：第47页，共54页，编辑于2022年，星期日n n（3）被试者
23、相对不敏感，或刺激相对比较弱，击中率下降为70%；虚惊率增为30，则 第48页，共54页，编辑于2022年，星期日接受者操作特性曲线接受者操作特性曲线n n接受者操作特性曲线（receiver operating characteristic curve，简称ROC 曲线），又称为感受性曲线（sensitivity curve）。是以虚惊概率为横轴，击中概率为纵轴所组成的坐标图，和被试在特定刺激条件下由于采用不同的判断标准得出的不同结果画出的曲线。第49页，共54页，编辑于2022年，星期日n n杨治良（1983）曾做过这样一个实验：选图画500 页，分成五个组，每组 100 张。五组画页的先
24、定概率分别是0.1、0.3、0.5、0.7 和0.9。对于每一组画页，主试者使用一种信号的先定概率，然后按此先定概率呈现给被试者一定数量的画页，要求被试者把它们当做“信号”记住。n n例如，先定概率为0.1 时，则当作时，则当作“信号信号”的画页为10 10 张；当做“噪音噪音”的画页为的画页为 90 90 张。作为信号的画张。作为信号的画页呈现完毕之后，与此组作为噪音的画页混合，然后随页呈现完毕之后，与此组作为噪音的画页混合，然后随机地逐张呈现给被试。这时，每呈现一张画页，即要求机地逐张呈现给被试。这时，每呈现一张画页，即要求被试判断此画页是被试判断此画页是“信号”还是“噪音噪音”，并要求被
25、，并要求被试把结果记录在实验纸上。试把结果记录在实验纸上。第50页，共54页，编辑于2022年，星期日n n根据五种先定概率得到的实验结果，就可计算击中概率和虚惊概率。第51页，共54页，编辑于2022年，星期日第52页，共54页，编辑于2022年，星期日n n 最后，根据不同先定概率下的击中概率和虚惊概率，就可在图上确定各点的位置，把五点联接起来就绘成一条 ROC 曲线。第53页，共54页，编辑于2022年，星期日n n从图从图5-35 5-35 可见，可见，ROC ROC 曲线具有以下属性：曲线具有以下属性：n n（1 1）值的改变独立于值的改变独立于d d 的变化，考察的变化，考察 值变
26、化对P(y/SN)P(y/SN)和和P(y/N)P(y/N)的影响时发现：当的影响时发现：当 接近接近 0 0 时，击中概时，击中概率几乎为率几乎为0 0，即信号全当成噪音接受；当，即信号全当成噪音接受；当接近无穷大时，接近无穷大时，虚惊概率几乎为虚惊概率几乎为 0 0，即噪音全当成信号接受；而当，即噪音全当成信号接受；而当 从接从接近近0 0 向无穷大渐变的过程中，将形成一条完整地向无穷大渐变的过程中，将形成一条完整地ROC ROC 曲线，曲线，曲线在某一处达到最佳的标准曲线在某一处达到最佳的标准。n n（2 2）ROC ROC 曲线的曲率反应敏感性指标曲线的曲率反应敏感性指标d d：在图：在图5-35 5-35 中中有一条对角线，代表有一条对角线，代表P(y/SN)=P(y/N)，即被试者的辨，即被试者的辨别力别力d d 为为0 0，ROC ROC 曲线离这条线愈远，表示被试者辨别力曲线离这条线愈远，表示被试者辨别力愈强，愈强，d 的值当然就愈大。由上可知，的值当然就愈大。由上可知，d d 的变化使的变化使ROC ROC 曲线形成一个曲线簇，而曲线形成一个曲线簇，而 的变化体现在这一曲线簇中的变化体现在这一曲线簇中的某一条曲线上不同点的变化。的某一条曲线上不同点的变化。第54页，共54页，编辑于2022年，星期日