实验心理学：信号检测论

1、信号检测论第一节阈限概念和理论的发展 一、阈限概念及其发展 （一）传统的阈限概念 从测量上考虑传统阈限的概念，后经卡特尔（Cattell，1893）、贾斯特罗（Jastrow，1888）和乌尔班（Urban，1910）发展，最后形成了费-伽马（Phi-gamma）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（stimulus，简称S）、内部反应（response，简称 R）和判断（judgment，简称J）。 在这些非感觉变量中，主要有下列二种最为主要： 1.刺激出现的概率 传统的心理物理学实验中，刺激出现的概率（或机率）（probability）以P（S）表示，其值总是1.0，这

2、样被试做出“有”或“无”的判断时，即使凭机遇也有50的精确性，难以避免地存在着期望误差。实验证明，当P（S）系统变化时，做出“有”判断的概率以P（yes）表示，也会发生变化，测出的阈限值亦发生变化。一个察觉指端震动的实验（Ges Cheider et al.，1971）表明，改变P（S）对于传统的阈限测量具有强烈的影响。当P（S）等于 0.7 时，阈限是1.3 微米；P（S）为0.3 时，阈限则是2.3 微米。而且，当刺激不出现时，P（yes）也明显地高于零。 2.反应代价 反应代价影响反应的结果，即反应受到奖赏和惩罚的影响。传统的阈限理论是对此忽略不顾的。事实上，如果正确地报告了“有”刺激（

3、称为“击中”）得到的奖赏多，而且错报时受到的惩罚少，则被试倾向于降低反应标准，在这种情况下，所测量的阈限相对值便低。反之，如果击中时所得奖赏少，而错报时所受惩罚多，则被试者倾向于提高反应标准，不会轻易做出“有”反应，（二）对传统阈限概念的异议 起源于费希纳的传统阈限概念，在20 世纪50 年代前，没有受到多大挑战。可是，近四十年来，关于阈限概念的理解上已成为古典的和现代的心理物理学争论的焦点。50 年代以后，许多心理物理学家愈来愈感到，经典的阈限测量最大的问题在于没有能够把被试的辨别能力（感受性）和他们做出判断时的倾向性（反应标准）区别开来。也就是说，经典的阈限测量没有考虑许多非感觉变量对被试

4、的影响。二、史蒂文斯的幂定律 于20 世纪中叶，史蒂文斯对费希纳的对数定律进行了批评。他说费希纳是把分辨能力作为测量单位的，根据这种间接测量的哲学，可以证明同样经常察觉到的差别并不相等。他还指出，一百年来之所以没有打破费希纳的对数定律，是因为批评家们只罗列了一些相反的事实，而没有提出一种理论去取代这种有缺陷的理论。于是，他于1957 年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（the power law）： S=bIa S：物理量I 的幂函数 b：量表单位决定的常数 a：感觉道和刺激强度决定的幂指数第二节 信号检测论的原理 一、信号检测论的由来 随着阈限理论和近代科学技术的发

5、展，一种新的心理物理法信号检测论诞生了。信号检测论（ 或讯号侦察论、讯号觉察论）（signal detection theory，简称SDT）乃是信息论的一个分支，研究的对象是信息传输系统中信号的接受部分。它最早用于通讯工程中，即借助于数学的形式描述“接受者”在某一观察时间将掺有噪音的信号从噪音中辨别出来。 那么信号检测论为什么能用于心理学中呢？这是由于人的感官、中枢分析综合过程可看作一个信息处理系统（或讯息处理系统），因此有可能应用信号检测论中的一些概念和方法对它进行分析。信号检测论还可以从另一个侧面加深人们对感受系统的理解。通常把刺激变量看作是信号，把刺激中的随机物理变化或感知处理信息中的

6、随机变化看作是噪音。这样，人作为一个接收者对刺激的辨别问题便可等效于一个在噪音中检测信号的问题。显然噪音的统计特性确定后，便可应用信号检测论处理心理学实验结果。于是，坦纳和斯韦茨（Tanner Swets， 1954）等人最早在密西根大学的心理学研究中把信号检测论应用于人的感知过程，并取得了可喜的结果。二、信号检测论的统计学原理 统计决策理论： 基本原则：根据某一观察到的事件，从两个可供选择的方面选定一个，被试要做这样的决策，必须有一个选择的标准（决策标准），当给定刺激超过这一标准时，做出有的反应，反之则做出无的反应。原则是是使期望值获得最大。 三个骰子实验：心理学上的信号检测实验一般是在信号

7、和背景不易分清的条件下进行的。对信号检测起干扰作用的背景叫噪音（noise），这“噪音”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”。总之，对信号起着干扰作用的因素都可当作“噪音”。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。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。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）（prior proba

8、bility）。同时对被试者说明判定结果的奖惩办法。因为先定概率和奖惩办法都将影响被试者的判定标准（见本章三节），每次实验呈现的是N 还是SN 是随机安排的。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： 1.击中 当信号出现时（SN），被试报告为“有”，这称为击中（或中的）（hit），以Y/SN 表示。我们把这个判定的概率称为击中的条件概率，以P（H）或P（Y/SN）表示。 2.虚惊 当只有噪音出现时（N），被试报告“有”，这称为虚惊（或误报）（false alarm），以Y/N 表示。我们把这个判定的概率称为虚惊条件概率，以P（FA）或P（Y/N）表示。 3.漏报 当有信号

9、出现时，被试报告为“无”，这称为漏报（或失察）（miss），以n/SN 表示。把这种判定概率称为漏报条件概率，以P（M）或P（n/SN）表示。 4.正确拒斥 当无信号而只有噪音出现时，被试报告为“无”，这称为正确拒斥（correct rejection）或正确（correct），以n/N 表示。我们把这个判定的条件概率称为正确拒斥的条件概率，以P（CR）或P（n/N）来表示。 这样，噪音背景下的信号检测实验，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（见表5-6），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，则显然有 P（H）P（M）=1 P（F

10、A）P（CR）=1 从式中可见，其他两个条件概率是这两个条件概率的补数，即知道其中一个数，就可求出互补的另一个数： P（H）=1-P（M） P（FA）=1-P（CR） 2.报告标准C 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（ reportcri-terion），又称判断标准（或判定标准）（judgment 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：（二）敏感性指标 内部噪音分布fN(X)与信号分布fSN(X)的分离程度既受信号的物理性质影响，也受被试者

11、（测验者）特性的影响。因此，fN(X)与fSN(X)之间的距离就可作为敏感性的指标，称为辨别力d： d越大，表示敏感性越高，d越小，表示敏感性越低。 d=(MSN-MN)/N三、信号检测论的二个独立指标（一）反应偏向 反应偏向可由二种方法计算：一种是似然比值，另一种是报告标准。 1.似然比值=纵轴击中/纵轴虚报=OSN/ONVnN：正确否定的奖励数 VyN：虚报的惩罚数（往往是负数） VyS：击中的奖励数 VnS：漏报的惩罚数（往往是负数四、接受者操作特性曲线 接受者操作特性曲线（receiver operating characteristic curve），简称 ROC 曲线（ ROC curve