1、第四章 現(xiàn)代心理物理法第一節(jié) 閾限概念和理論的發(fā)展傳統(tǒng)的閾限概念 ：波林指出，心理物理學(xué)的古典問題有五個：絕對閾限，被試對個別刺激的感受。差別閾限，被試對刺激增量的感受性。等量，被判斷為相等的刺激，一般指主觀判斷的強(qiáng)度方面。感覺等距，被判斷為相等的兩對刺激之間的差距。感覺比例，彼此判斷為有特定比率那些刺激。斯蒂文斯又補(bǔ)充了兩個問題：刺激次序，被試將某些組的刺激排成等級和次序的測定。刺激等級評定，確定被試評定刺激的真正物理值的準(zhǔn)確性。而這些都是以如下對感覺閾限的理解為基礎(chǔ)的：作用于感受器的一個刺激，引起一系列沖動在大腦中樞發(fā)生了一種效應(yīng)。這種效應(yīng)的大小將隨著刺激的強(qiáng)度、感受器的感受性、傳導(dǎo)通路的

2、效率和中樞的活動水平背景而發(fā)生變化。 傳統(tǒng)的閾限概念從測量上考慮傳統(tǒng)閾限的概念，經(jīng)過發(fā)展，形成了費(fèi)伽馬（Phi-gamma）假設(shè)的傳統(tǒng)覺察理論。該理論假設(shè)有三個連續(xù)量：刺激（stimulus，S）、內(nèi)部反應(yīng)（response，R）和判斷（judgment，J）。參見下頁圖：內(nèi)部反應(yīng)判斷J對傳統(tǒng)閾限概念的異議：刺激出現(xiàn)的概率反應(yīng)代價現(xiàn)代心理物理學(xué)研究的課題現(xiàn)代心理物理學(xué)課題檢測問題（detection）認(rèn)知問題（Cognitive）辨別差異問題（discriminative difference）量表問題：scale心理測量學(xué)（psychometrics）；測量心理活動并轉(zhuǎn)換為某種尺度（yard

3、stick）認(rèn)知問題 認(rèn)知（cognitive）就是辨認(rèn)一個事物的問題。這里已包括較高水平的問題，如當(dāng)一個雷達(dá)操作員在屏幕上觀察到了有信號以后，就要進(jìn)一步向自己提出這樣的問題：“這是什么？”。這就包括了復(fù)雜的知覺過程。這里包括可以采用信息論的方法來認(rèn)知對象。應(yīng)當(dāng)指出，檢測和認(rèn)知階段有時是不可分的，相互聯(lián)結(jié)的，所以有時也稱為檢測-認(rèn)知階層。 辨別差異問題 辨別差異是敘述某些事物與標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別問題。這是一個更高的梯級。例如雷達(dá)操作員要正確無誤地分辨出這一刺激不同于別的刺激。心理物理學(xué)中的韋伯定律（或韋氏定律）（Webers law），分辨中的信號檢測論，以及用反應(yīng)時來測定分辨等，都屬于辨別差異問題。

4、 神經(jīng)量子理論（neural quantum theory）斯蒂文斯等人提出用來解釋閾限的一種理論。他們通過響度和音高的辨別實(shí)驗(yàn)，推論其基本的神經(jīng)過程是按全或無定律（all-or-none law）進(jìn)行的。這種理論假設(shè)，反映刺激變化過程的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，在機(jī)能上被分成各個單元或量子，具體來說就是，每當(dāng)刺激增量興奮的量子數(shù)，超過標(biāo)準(zhǔn)刺激所興奮的量子一個時，這個刺激增量就被辨別出來。如果刺激增量所興奮的量子數(shù)，沒有超過標(biāo)準(zhǔn)刺激所興奮的量子一個時，這個刺激增量就不能被辨別出來，即刺激增量是線性連續(xù)的，而感覺是按階梯形式進(jìn)行的。必要的刺激增量的大小取決于一個刺激高于上一個興奮了的神經(jīng)單位的閾限是多少。在感覺

5、連續(xù)上，P是S所產(chǎn)生的“剩余”興奮量，如果說，假定17個能量單位的刺激量足以興奮神經(jīng)量子a、b、c，而且還能夠部分興奮“d”量子，這個剩余量只能是由超出20個能量單位的那點(diǎn)能量所引起。因此，剩余量和感受性的波動有關(guān)。只有和S剩余量總和達(dá)到等于和大于興奮一個附加量子所需的能量時，才能產(chǎn)生一個可覺察的感覺反應(yīng)。所以剩余和能量是有關(guān)的，即剩余大，要求增量便小。用數(shù)學(xué)表達(dá)式則為：=QP ,：使附加量子活動所需要的刺激增量。Q：肯定能夠興奮一個量子的增量的大小。P：標(biāo)準(zhǔn)刺激剩余量能引起的部分興奮量。 斯蒂文斯的冪定律IIK 兩個假設(shè)：每一個最小可覺差（JND）可以看作感覺上的一個最小變化，它的主觀量相等

6、的，是感覺的單位；任何閾上感覺的大小都可以用感覺隨機(jī)刺激變化而發(fā)生的總和表示，也就是說可以用最小可覺差作感覺單位，對閾上感覺進(jìn)行間接測量。其函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為：S=KlogR S感覺大?。ㄒ訨ND為單位）R刺激強(qiáng)度 K常數(shù)。（FechnerLaw Law of logarithmic function ）。不同感覺通道的交叉匹配（cross-modality matching）斯蒂文斯的數(shù)量估計(jì)法和冪定律后來受到人們的批評。人們認(rèn)為被試給出的數(shù)目字可能更多地反映它的數(shù)字習(xí)慣而不是反映他的感覺。為此，斯蒂文斯采用不同感覺通道的交叉匹配法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證冪定律。實(shí)驗(yàn)中，被試不需要產(chǎn)生數(shù)字判

7、斷，被試的任務(wù)是把兩個不同的感覺通道產(chǎn)生的感覺量相等起來。例如，要求被試調(diào)整施加于指端的振動強(qiáng)度，以便使振動的感覺印象和一爆破噪音的響度相匹配。這樣在不同的刺激水平上獲得跨感覺通道的匹配，一條等感覺函數(shù)的曲線便產(chǎn)生了，它表示出一感覺通道的刺激與造成相等感覺量的判斷的另一感覺通道刺激的關(guān)系。這種方法稱之為等感覺匹配法（equal-sensation function obtained by matches）。假設(shè)某一感覺通道的主觀值S1=Im1，另一感覺通道的主觀值為：S2=In2 ；如果主觀值S1和S2相等，則最后的相等感覺函數(shù)形式為：Im1=In2 ；ogI1=n/m logI2信號檢測理論

8、（signal detection theory,SDT）該理論認(rèn)為，人類被試覺察信號有一個神經(jīng)中樞效應(yīng)，這種效應(yīng)隨著每次刺激的出現(xiàn)，時刻都在變化；信號總是在噪音的背景上產(chǎn)生，信號的影響和純噪音的影響都是正態(tài)分布，兩種分布，由于信號比噪音微弱增強(qiáng)，所以有一定的重疊而使得信號和噪音都可能引起同一程度的感覺。人類覺察是建立在統(tǒng)計(jì)決策理論的基礎(chǔ)上，就是說被試選擇一個標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)給定的刺激超過這個標(biāo)準(zhǔn)時，被試就反應(yīng)“有”，否則報告“無”。這個反映標(biāo)準(zhǔn)的選擇決定于很多因素。這個反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)就是閾限，而不是感覺本身的真實(shí)的東西。信號檢測論還認(rèn)為，感覺是連續(xù)的，而不是神經(jīng)量子論的階梯式間斷，也不是傳統(tǒng)閾限理論的3

9、個標(biāo)準(zhǔn)差處。不存在固定的閾限。所謂的閾限是統(tǒng)計(jì)檢測的結(jié)果，是隨判斷標(biāo)準(zhǔn)而變化的。信號檢測過程的理論說明感覺系統(tǒng)大腦感覺模塊收益動機(jī)注意頻率大腦決策模塊反應(yīng)依據(jù)SDT，知覺由感覺和決策過程控制。一個信號或刺激產(chǎn)生的感覺取決于信號強(qiáng)度和觀察者的感受性其部分決定著觀察者作出“有”的反應(yīng)。其他還有一些決定作出“有”的反應(yīng)的因素，包括觀察者說出“有”刺激出現(xiàn)的意愿即反應(yīng)偏向。感覺量值X感覺分析將感覺量值（x）發(fā)送到?jīng)Q策模塊。X的數(shù)值是信號強(qiáng)度和觀察者感受性的函數(shù)。收益動機(jī)以及注意過程將反應(yīng)偏向信息發(fā)送到?jīng)Q策模塊。感覺和偏向成分共同決定觀察者的反應(yīng)。感覺量值x位于分布的橫坐標(biāo)。收益等因素決定著反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的位

10、置第二節(jié) 信號檢測論的原理一、信號檢測論的由來二、信號檢測論的統(tǒng)計(jì)決策原理 反應(yīng)刺激有信號無信號有信號hitmiss無信號False alarmCorrect rejection判斷反應(yīng)矩陣統(tǒng)計(jì)決策所需的兩個基本假設(shè)兩個相等的、有重疊的正態(tài)分布在信號檢測論中能夠得到滿足，統(tǒng)計(jì)決策的原理可以成為信號檢測理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。信號檢測論的原理信號檢測論測量感受性的基本假設(shè)：傳統(tǒng)心理物理法認(rèn)為人在感知方面的生理功能存在一定的局限性使個體在對感知覺刺激進(jìn)行感知和判斷時，要求刺激達(dá)到一定的程度才能克服這種生理局限。SDT認(rèn)為不存在這種生理局限性，沒有真正的感覺閾限被試對某以刺激是否存在或刺激之間是否存在差別的

11、決策困難來源于內(nèi)部和外部的干擾。信號檢測論的原理(續(xù))人類被試覺察信號有一個中樞神經(jīng)效應(yīng)，這種效應(yīng)隨著每次刺激的出現(xiàn)，時刻發(fā)生變化。因?yàn)榇嬖谥鴥?nèi)部和外部噪音，所以即便沒有信號出現(xiàn)，中樞效應(yīng)也可能由純噪音引起。可以把被試做出判斷所根據(jù)的感覺材料，設(shè)想為對神經(jīng)活動的測量，或者把它看作在給定時間內(nèi)，達(dá)到皮質(zhì)上給定點(diǎn)的神經(jīng)沖動數(shù)目。P（Y/SN）=f1/(f1+f2)P（N/SN）=f2/(f1+f2)=1P（Y/SN）P（Y/N）=f3/(f3+f4)P（N/N）=f4/(f3+f4)=1P（Y/N） YNSN擊中p(Y/SN)f1漏報p(N/SN)f2N虛報p(Y/N)f3正確拒斥p(N/N)f4

12、心理物理實(shí)驗(yàn)中所選定的信號和噪音的刺激強(qiáng)度相差很小，而且只有單維的強(qiáng)度差異。因此，噪音和信號加噪音的兩個正態(tài)分布有重疊的部分。信號實(shí)際上總是在包含內(nèi)部和外部噪音的背景上產(chǎn)生，因此所謂對信號感覺的分布，實(shí)際上是對信號加噪音的分布。由于噪音及信號所引起的兩個感覺分布有重疊的部分，所以某一特定的感覺既可以由噪音所引起，也可以由信號所引起。似然比（likelihood ratio）反應(yīng)偏向 Decision threshold似然比判斷標(biāo)準(zhǔn)刺激反應(yīng)有無S11N11Pay-off matrixP(N)=P(S)=0.51，說明被試掌握的標(biāo)準(zhǔn)適中刺激反應(yīng)有無S2020N11P(N)=P(S)=0.51，說

13、明被試掌握的標(biāo)準(zhǔn)寬松刺激反應(yīng)有無S11N3030P(N)=P(S)=0.51，說明被試掌握的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格P(N)和P(S)分別為噪音和信號的先定概率，V代表由正確反應(yīng)得到的價值，C代表錯誤反應(yīng)得到的價值。報告標(biāo)準(zhǔn)（report criterion）I1為的強(qiáng)度刺激（噪音的物理強(qiáng)度），I2為高強(qiáng)度刺激（信號的物理強(qiáng)度），Z1為低強(qiáng)度刺激時的正確拒斥率的Z值（虛報率的Z分?jǐn)?shù)）。d=Z擊中Z虛報=0.994（1.405）=2.399C=（I2I1）/dZ1I1=（10）/2.3991.450+0=0.59 反應(yīng)刺激報告“舊的”報告“新的”舊刺激428新刺激446敏感性指標(biāo)信號檢測論最主要的貢獻(xiàn)就是把反應(yīng)

14、偏向與敏感性區(qū)別開來。感覺辨別力（sensory discriminability）(d)表示感知能力。 d就是信號檢測的敏感性指標(biāo)。表現(xiàn)為內(nèi)部噪音分布與信號加噪音分布之間的分離程度。d=（MSNMN）/N ；d=ZSNZN= Z擊中Z虛報 。接受者操作特性曲線（receiver operation characteristic curve）ROC曲線在心理測量中ROC曲線常稱為等感受性曲線。圖a表示三個信號的波幅。圖b是噪音的波幅。圖c是信號加噪音的波幅。閾值為T1時只有第二個目標(biāo)被檢測到。在圖中所示的時間區(qū)間中沒有虛報。對于固定的輸出信噪比（signal-to-noise ratio），各

15、種閾值下，有不同的擊中率和虛報率。ROC曲線被試的感受性判斷標(biāo)準(zhǔn)低高（0，0）（1，1）ROC曲線的基本特征還可以用下面的圖來表示。該圖說明了ROC曲線的曲率怎樣代表著被試對信號的感受性和他的反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)信號強(qiáng)度大或被試的感受性高時，信號容易被覺察，向左邊彎得更高；當(dāng)信號強(qiáng)度變?nèi)趸蛘弑辉嚨母惺苄缘蜁r，曲線就向45對角線靠攏。即曲線的曲率是由信號的強(qiáng)度和被試的感受性共同決定的。 45對角線上，擊中率和虛報率總是相等的，顯示出被試無任何分辨能力。被試判斷的策略是根據(jù)先定概率或支付矩陣，隨意回答。其中有兩種極端情形：不管強(qiáng)度如何，均回答“YES”，擊中率和虛報率都等于100，在曲線坐標(biāo)中為（1，1）

16、點(diǎn)。擊中率和虛報率均較小時，在曲線上的坐標(biāo)靠近左下角的原點(diǎn)，顯示判斷標(biāo)準(zhǔn)比較高。傾向于少說信號傾向于多說信號第三節(jié) 信號檢測論的基本方法有無法（yes-no method）：用有無法測定被試的辨別力和判定標(biāo)準(zhǔn)時，只用兩類刺激，信號和噪音，信號和噪音的差別要比較小，約接近被試的辨別閾限，（可用古典心理物理法事先測試來確定），將兩類刺激多次的重復(fù)呈現(xiàn)，一般情況下采用P（SN）=P（N）=0.5，但實(shí)驗(yàn)的總次數(shù)要多，一般在300到1000次。信號和噪音的呈現(xiàn)是隨機(jī)的。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定，一方面可采用較為有經(jīng)驗(yàn)的被試來做實(shí)驗(yàn)，另一方面也可以在實(shí)驗(yàn)過程中每當(dāng)被試回答后，主試都給予反饋 。為了得到被試

17、的等感受性曲線，一般采用改變先定概率的方法來得到不同的值。 有無法的基本程序當(dāng)主試呈現(xiàn)刺激后，讓被試判斷剛才呈現(xiàn)的刺激中有無信號，呈現(xiàn)刺激和反應(yīng)順序如圖所示。在聽覺實(shí)驗(yàn)中，預(yù)備信號等用燈光，在視覺實(shí)驗(yàn)中用聲音。如，聽覺實(shí)驗(yàn)開始時，先開亮白燈1.5秒作為預(yù)備信號，紅燈持續(xù)時間為聲音刺激呈現(xiàn)的時間；然后在固定的時間內(nèi)讓被試做出判斷。有時也可以給被試以反饋。實(shí)驗(yàn)前先規(guī)定SN和N呈現(xiàn)的比例p(SN)和p(N)（先定概率）,主試應(yīng)把先定概率或獎懲辦法告訴被試。根據(jù)被試對呈現(xiàn)的刺激判斷的結(jié)果來估計(jì)p(y|SN)和p(y|N)。y代表判斷為“有信號”,n表示判斷為“無信號”,f1、f2、f3、f4分別代表“

18、擊中”、“漏報”、“虛報”和“正確拒斥”。主是通過改變先定概率，改變對判斷結(jié)果的獎懲辦法以及改變指導(dǎo)語，來改變被試采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)。f4f3f2f1反 應(yīng)SNNyn評價法（confidence rating method）又稱多重決策法、評級量表法 、自信度評價法。把握程度含義相應(yīng)的概率判斷6十分肯定有信號出現(xiàn)100%有信號出現(xiàn)5肯定有信號出現(xiàn)80%有信號出現(xiàn)4可能有信號出現(xiàn)60%有信號出現(xiàn)3可能沒信號出現(xiàn)40%有信號出現(xiàn)2肯定沒信號出現(xiàn)20%有信號出現(xiàn)1十分肯定沒信號出現(xiàn)0%有信號出現(xiàn)評價法實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一個信號檢測實(shí)驗(yàn)中，SN和N個呈現(xiàn)600次，用評價法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：確信程度654321f

19、(SN.Ri)176154101665944f(N.Ri)24546696162198p(Ri|SN)0.290.260.170.110.100.01p(Ri|N)0.040.090.110.160.270.33判斷標(biāo)準(zhǔn)C5C4C3C2C1p(y|SN)0.290.550.720.830.93p(y|N)0.040.130.240.400.67各標(biāo)準(zhǔn)下的擊中率和虛報率判斷標(biāo)準(zhǔn)C5C4C3C2C1p(y|N)0.040.130.240.400.67p(y|SN)0.290.550.720.830.93ZN+1.75+1.13+0.71+0.25-0.44ZSN+0.55-0.13-0.58-0.

20、95-1.48虛報率縱坐標(biāo)0.08630.21070.31010.38670.3621擊中率縱坐標(biāo)0.34290.39560.33720.25410.1334d1.201.261.291.201.043.791.871.090.660.37各標(biāo)準(zhǔn)下的d和當(dāng)xC5,被試以“6”反應(yīng)，當(dāng)C4xC5,以“5”反應(yīng)，當(dāng)C3xC4,以“4”反應(yīng)，當(dāng)C2xC3,以“3”反應(yīng)，當(dāng)C1xC2,以“2”反應(yīng)，當(dāng)xC1,以“1”反應(yīng)。對C5而言，p(y|SN)是當(dāng)SN呈現(xiàn)時被試以“6”反應(yīng)的概率，對C4來說，p(y|SN)除了SN呈現(xiàn)時以“5”反應(yīng)的概率外，還應(yīng)加上以“6”反應(yīng)的概率，因?yàn)榘褬?biāo)準(zhǔn)定在C4時，意味著

21、對任何大于C4的感覺都以“y”反應(yīng)，大于C5的感覺當(dāng)然也大于C4。故，對C5以下的標(biāo)準(zhǔn)其擊中率都是累積概率。迫選法（forced choice method）迫選法與有無法、評價法不同之處：從刺激呈現(xiàn)的方式上來看，每次讓被試判斷之前都要呈現(xiàn)多個刺激，一般是從2到8個，其中只有一個是信號刺激（SN），其余都是相同的噪音刺激（N）。這種刺激的呈現(xiàn)方式常用mAFC（AFC是alternative forced choice的簡稱，m代表刺激的數(shù)目）表示，意思是從m個刺激中挑出哪一個是SN。從反應(yīng)的方式上來看，當(dāng)多個刺激呈現(xiàn)后，只要求被試判斷哪一個是SN。這時被試做出判斷的根據(jù)是他對當(dāng)前多個刺激引起的感覺量差異。哪一個刺激引起的感