Психофизика - Psychophysics

Часть серии по
Психология
  • Psi2.svg Психологический портал

Психофизика количественно исследует взаимосвязь между физическими стимулы и ощущения и восприятие они производят. Психофизика описывается как «научное исследование связи между стимулом и ощущение "[1] или, более полно, как «анализ процессов восприятия путем изучения влияния на опыт или поведение субъекта систематического изменения свойств стимула в одном или нескольких физических измерениях».[2]

Психофизика также относится к общему классу методов, которые могут применяться для изучения система восприятия. Современные приложения в значительной степени полагаются на измерение порогов,[3] анализ идеального наблюдателя, и теория обнаружения сигналов.[4]

Психофизика имеет широкое и важное практическое применение. Например, при изучении цифровая обработка сигналов, психофизика сообщила о разработке моделей и методов сжатие с потерями. Эти модели объясняют, почему люди воспринимают очень незначительную потерю качества сигнала, когда аудио- и видеосигналы форматируются с использованием сжатия с потерями.

История

Многие из классических методов и теорий психофизики были сформулированы в 1860 году, когда Густав Теодор Фехнер в Лейпциге опубликовано Elemente der Psychophysik (Элементы психофизики).[5] Он ввел термин «психофизика», описывая исследования, направленные на то, чтобы связать физические стимулы с содержанием сознания, таким как ощущения. (Empfindungen). Как физик и философ, Фехнер стремился разработать метод, который связывает материю с разумом, связывая общественно наблюдаемый мир и личное впечатление о нем человека. Его идеи были вдохновлены экспериментальными результатами по осязанию и освещению, полученными в начале 1830-х годов немецким физиологом. Эрнст Генрих Вебер в Лейпциг,[6][7] в первую очередь те, которые связаны с минимально заметной разницей в интенсивности стимулов умеренной силы (просто заметная разница; jnd), которые Вебер показал как постоянную долю от эталонной интенсивности и которую Фехнер назвал законом Вебера. Исходя из этого, Фехнер вывел свою широко известную логарифмическую шкалу, теперь известную как шкала Фехнера. Работы Вебера и Фехнера легли в основу психологии как наука, с Вильгельм Вундт основание первой лаборатории психологических исследований в Лейпциге (Institut für Experimentelle Psychologie). Работа Фехнера систематизировала интроспекционистский подход (психология как наука о сознании), который должен был противостоять бихевиористскому подходу, в котором даже вербальные реакции являются такими же физическими, как и стимулы.

В 1930-х годах, когда психологические исследования в нацистская Германия по сути остановился, оба подхода со временем стали заменяться использованием стимул-реакция отношения как свидетельство сознательной или бессознательной обработки в уме.[8] Работы Фехнера были изучены и расширены Чарльз С. Пирс, которому помогал его ученик Джозеф Джастроу, который вскоре стал самостоятельным выдающимся экспериментальным психологом. Пирс и Джастроу в значительной степени подтвердили эмпирические выводы Фехнера, но не все. В частности, классический эксперимент Пирса и Ястроу отверг оценку Фехнера порога восприятия весов как слишком высокую. В своем эксперименте Пирс и Джастроу фактически изобрели рандомизированные эксперименты: они случайным образом распределили добровольцев в ослепленный, дизайн с повторными мерами чтобы оценить их способность различать веса.[9][10][11][12] Эксперимент Пирса вдохновил других исследователей в области психологии и образования, которые в 1900-х годах развили исследовательскую традицию рандомизированных экспериментов в лабораториях и специализированных учебниках.[9][10][11][12]Эксперименты Пирса-Джастроу проводились как часть приложения Пирса его прагматизм программа для человеческое восприятие; другие исследования рассматривали восприятие света и т. д.[13] Джастроу написал следующее резюме: «Курсы мистера Пирса по логике дали мне мой первый настоящий опыт работы с интеллектуальными мышцами. Хотя я сразу же отправился в лабораторию психологии, когда это было установлено. Стэнли Холл Именно Пирс дал мне первое обучение работе с психологической проблемой и в то же время стимулировал мою самооценку, доверив мне, тогда еще не знавшему никаких лабораторных привычек, настоящие исследования. Он позаимствовал для меня прибор, который я отнес в свою комнату, установил у окна и с помощью которого, когда условия освещения были подходящими, я проводил наблюдения. Результаты были опубликованы над нашими совместными именами в Труды Национальной академии наук. Демонстрация того, что следы сенсорного воздействия, слишком незначительные, чтобы их можно было зарегистрировать в сознании, тем не менее могут повлиять на суждение, могла сама по себе быть постоянным мотивом, который побудил меня спустя годы написать книгу о Подсознание. »Эта работа четко отличает наблюдаемую когнитивную деятельность от выражения сознания.

Современные подходы к сенсорному восприятию, такие как исследования зрения, слуха или осязания, измеряют, что суждение воспринимающего извлекает из стимула, часто оставляя в стороне вопрос, какие ощущения испытываются. Один ведущий метод основан на теория обнаружения сигналов, разработанный для случаев очень слабых раздражителей. Однако субъективистский подход сохраняется среди приверженцев традиции Стэнли Смит Стивенс (1906–1973). Стивенс возродил идею сила закона предложенные исследователями XIX века, в отличие от лог-линейной функции Фехнера (см. Степенной закон Стивенса ). Он также выступал за присвоение чисел по отношению к силе стимулов, что называется оценкой величины. Стивенс добавил такие методы, как получение величины и согласование кросс-модальности. Он выступал против присвоения силы стимула точкам на линии, которые помечены в порядке силы. Тем не менее такой ответ остается популярным в прикладной психофизике. Такие макеты с несколькими категориями часто ошибочно называют Масштабирование по Лайкерту после пунктов вопроса, используемых Лайкертом для создания психометрических шкал с несколькими пунктами, например, семь фраз от «полностью согласен» до «категорически не согласен».

Омар Халифа[14] утверждал, что средневековый ученый Альхазен следует считать основоположником психофизики. Хотя аль-Хайтам сделал много субъективных отчетов о зрении, нет никаких доказательств того, что он использовал количественные психофизические методы, и такие утверждения были отвергнуты.[15]

Пороги

Психофизики обычно используют экспериментальные стимулы, которые можно объективно измерить, такие как чистые тона различной интенсивности или свет различной яркости. Все чувства были изучены: зрение, слушание, трогать (включая кожа и кишечное восприятие ), вкус, запах и чувство времени. Независимо от сенсорной области, есть три основных области исследования: абсолютные пороги, пороги дискриминации и масштабирование.

Порог (или лимит) - это точка интенсивности, при которой участник может просто обнаружить наличие стимула (абсолютный порог[16]) или наличие разницы между двумя стимулами (порог разности[7]). Стимулы с интенсивностью ниже пороговой считаются не обнаруживаемыми (следовательно, сублиминальными). Стимулы со значениями, достаточно близкими к пороговому значению, часто обнаруживаются в некоторых случаях; следовательно, порог считается точкой, в которой стимул или изменение стимула обнаруживаются в некоторой пропорции. п поводов.

Обнаружение

Абсолютный порог - это уровень интенсивности стимула, при котором испытуемый способен обнаруживать присутствие стимула в некоторой части времени (a п часто используется уровень 50%).[17] Примером абсолютного порога является количество волос на тыльной стороне руки, которых необходимо коснуться, прежде чем его можно будет почувствовать - участник может не почувствовать прикосновения к одному волосу, но может почувствовать два или три как это превышает порог. Абсолютный порог также часто называют порог обнаружения. Для измерения абсолютных пороговых значений используется несколько различных методов (как и в случае порогов дискриминации; см. Ниже).

Дискриминация

Порог разницы (или едва заметная разница, JND) - это величина наименьшей разницы между двумя стимулами разной интенсивности, которую участник может обнаружить в некоторой части времени (процент, зависящий от типа задания). Для проверки этого порога используется несколько различных методов. Испытуемого могут попросить отрегулировать один стимул до тех пор, пока он не будет восприниматься как тот же самый, что и другой (метод регулировки), его могут попросить описать направление и величину разницы между двумя стимулами, или его могут попросить решить, насколько интенсивны пара стимулов совпадают или нет (вынужденный выбор). Просто заметная разница (JND) не является фиксированной величиной; скорее, это зависит от того, насколько интенсивны измеряемые стимулы и от конкретного чувства, которое измеряется.[18] Закон Вебера утверждает, что едва заметная разница стимула является постоянной пропорцией, несмотря на вариации в интенсивности.[19]

В экспериментах по распознаванию экспериментатор пытается определить, в какой момент можно обнаружить разницу между двумя стимулами, например, двумя гирями или двумя звуками. Испытуемому предъявляют один стимул, например вес, и просят сказать, тяжелее или легче другой вес (в некоторых экспериментах испытуемый может также сказать, что эти два веса одинаковые). В точке субъективного равенства (PSE) субъект воспринимает два веса как одинаковые. Просто заметная разница,[20] или разница в стимулах (DL), это величина различия стимулов, которую субъект замечает некоторую долю п времени (50% обычно используется для п в задаче сравнения). Кроме того, двухальтернативный принудительный выбор Парадигма (2-afc) может использоваться для оценки точки, в которой производительность сводится к случайности при различении двух альтернатив (п тогда обычно будет 75%, поскольку п= 50% соответствует шансу в задаче 2-afc).

Абсолютные и разностные пороги иногда в принципе считаются одинаковыми, потому что всегда есть фоновый шум, мешающий нашей способности обнаруживать стимулы.[6][21]

Экспериментирование

В психофизике эксперименты стремятся определить, может ли субъект обнаружить стимул, идентифицировать его, отличить его от другого стимула или описать величину или природу этого различия.[6][7] Обзор программного обеспечения для психофизических экспериментов представляет Страсбургер.[22]

Классические психофизические методы

В психофизических экспериментах традиционно использовались три метода тестирования восприятия испытуемых в экспериментах по обнаружению стимулов и обнаружению различий: метод пределов, метод постоянных стимулов и метод настройки.[23]

Метод пределов

При восходящем методе ограничений некоторые свойства стимула начинаются с такого низкого уровня, что стимул не может быть обнаружен, затем этот уровень постепенно повышается, пока участник не сообщит, что он знает об этом. Например, если в эксперименте проверяется минимальная амплитуда звука, которую можно обнаружить, звук начинает звучать слишком тихо, чтобы его можно было воспринимать, и постепенно становится громче. В нисходящем методе пределов все наоборот. В каждом случае порог считается уровнем свойства стимула, при котором стимулы только что обнаруживаются.[23]

В экспериментах поочередно используются восходящий и нисходящий методы, а пороговые значения усредняются. Возможный недостаток этих методов состоит в том, что субъект может привыкнуть сообщать, что он воспринимает стимул, и может продолжать сообщать таким же образом даже за пределами порогового значения (ошибка привыкание ). И наоборот, субъект может также предвидеть, что стимул вот-вот станет обнаруживаемым или необнаружимым, и может сделать преждевременное суждение (ошибка предвидения).

Чтобы избежать этих потенциальных ловушек, Георг фон Бекеси представил лестничная процедура в 1960 г. в своем исследовании слухового восприятия. В этом методе звук вначале становится слышимым и становится тише после каждого ответа субъекта, пока субъект не сообщит, что слышал его. В этот момент звук становится громче на каждом шаге, пока субъект не сообщит, что слышит его, после чего он снова становится тише на ступеньках. Таким образом, экспериментатор получает возможность «пристрелить» порог.[23]

Метод постоянных раздражителей

Вместо того, чтобы быть представленными в порядке возрастания или убывания, в методе постоянных стимулов уровни определенного свойства стимула не связаны от одного испытания к другому, а представлены случайным образом. Это не позволяет субъекту предсказать уровень следующего стимула и, следовательно, уменьшает ошибки привыкания и ожидания. В случае «абсолютных пороговых значений» субъект снова сообщает, могут ли они обнаружить стимул.[23] Для «разностных порогов» должен быть постоянный стимул сравнения с каждым из различных уровней. Фридрих Гегельмайер описал метод постоянных стимулов в статье 1852 года.[24] Этот метод позволяет полностью опробовать психометрическая функция, но может привести к большому количеству испытаний, когда несколько условий чередуются.

Метод регулировки

В методе настройки испытуемого просят контролировать уровень стимула и изменять его до тех пор, пока он не станет едва заметным на фоне фонового шума или не станет таким же, как уровень другого стимула. Регулировка повторяется много раз. Это также называется метод средней ошибки.[23]В этом методе наблюдатели сами контролируют величину переменного стимула, начиная с уровня, который явно больше или меньше стандартного, и изменяют его до тех пор, пока они не будут удовлетворены субъективным равенством двух. Разница между переменным стимулом и стандартным регистрируется после каждой корректировки, а ошибка заносится в таблицу для значительных серий. В конце рассчитывается среднее значение, дающее среднюю ошибку, которую можно принять как меру чувствительности.

Адаптивные психофизические методы

Классические методы экспериментирования часто называют неэффективными. Это связано с тем, что до тестирования психометрический порог обычно неизвестен, и большая часть данных собирается в точках на психометрическая функция которые предоставляют мало информации об интересующем параметре, обычно о пороге. Можно использовать процедуры адаптивной лестницы (или классический метод настройки), при котором точки выборки группируются вокруг психометрического порога. Точки данных также могут быть разбросаны в несколько более широком диапазоне, если наклон психометрической функции также представляет интерес. Таким образом, адаптивные методы можно оптимизировать для оценки только порогового значения или обоих пороговых значений. и склон. Адаптивные методы подразделяются на лестничные (см. Ниже) и байесовские методы, или методы максимального правдоподобия. Методы лестницы полагаются только на предыдущий ответ, и их проще реализовать. Байесовские методы учитывают весь набор предыдущих пар «стимул-реакция» и, как правило, более устойчивы к упущениям во внимании.[25] Здесь можно найти практические примеры.[22]

Лестничные процедуры

Основная статья: Вверх-вниз конструкции
Диаграмма, показывающая конкретную процедуру лестницы: преобразованный метод вверх / вниз (правило 1 вверх / 2 вниз). До первого разворота (которым пренебрегают) используется простое правило вверх / вниз и больший размер шага.

Лестницы обычно начинаются со стимула высокой интенсивности, который легко обнаружить. Затем интенсивность снижается до тех пор, пока наблюдатель не совершит ошибку, после чего лестница «разворачивается», а интенсивность увеличивается до тех пор, пока наблюдатель не отреагирует правильно, вызывая еще один поворот. Затем значения последнего из этих «разворотов» усредняются. Существует много различных типов лестничных процедур, использующих разные правила принятия решения и завершения. Размер шага, правила увеличения / уменьшения и распространение лежащей в основе психометрической функции диктуют, в какой точке психометрической функции они сходятся.[25] Пороговые значения, полученные для лестниц, могут сильно колебаться, поэтому при их проектировании необходимо соблюдать осторожность. Было смоделировано множество различных алгоритмов лестниц и несколько практических рекомендаций, предложенных Гарсиа-Пересом.[26]

Одной из наиболее распространенных конструкций лестниц (с фиксированными размерами ступеней) является лестница 1-вверх-N-вниз. Если участник делает правильный ответ N раз подряд, интенсивность стимула уменьшается на один шаг. Если участник дает неверный ответ, интенсивность стимула увеличивается на единицу. Порог оценивается по средней средней точке всех прогонов. Эта оценка асимптотически приближается к правильному порогу.

Байесовские процедуры и процедуры максимального правдоподобия

Байесовские процедуры и адаптивные процедуры максимального правдоподобия (ML) ведут себя с точки зрения наблюдателя аналогично лестничным процедурам. Однако выбор следующего уровня интенсивности работает по-другому: после каждого ответа наблюдателя из набора этой и всех предыдущих пар стимул / ответ рассчитывается вероятность того, где находится порог. Затем точка максимального правдоподобия выбирается как наилучшая оценка порогового значения, и следующий стимул представляется на этом уровне (поскольку решение на этом уровне добавит больше всего информации). В байесовской процедуре в расчет дополнительно включается априорная вероятность.[25] По сравнению с лестничными процедурами, байесовские процедуры и процедуры машинного обучения требуют больше времени для реализации, но считаются более надежными. Хорошо известными процедурами такого рода являются Quest,[27] ML-PEST,[28] и метод Концевича и Тайлера.[29]

Оценка величины

В прототипном случае людей просят присваивать числа пропорционально величине стимула. Эта психометрическая функция средних геометрических их чисел часто бывает сила закона со стабильной воспроизводимой экспонентой. Хотя контексты могут изменять закон и показатель степени, это изменение также является стабильным и воспроизводимым. Вместо чисел для сопоставления стимула можно использовать другие сенсорные или когнитивные измерения, и тогда метод становится «производством величины» или «сопоставлением кросс-модальности». Показатели этих измерений, найденные при оценке числовой величины, предсказывают показатели, найденные при производстве величины. Оценка величины обычно находит более низкие показатели для психофизической функции, чем ответы с несколькими категориями, из-за ограниченного диапазона категориальных якорей, таких как те, которые используются Likert как элементы шкалы отношения.[30]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Гешайдер Г (1997). Психофизика: основы. Соматосенсорные и моторные исследования. 14 (3-е изд.). С. 181–8. Дои:10.1080/08990229771042. ISBN  978-0-8058-2281-6. PMID  9402648.
  2. ^ Брюс V, Зеленый PR, Джорджсон Массачусетс (1996). Визуальное восприятие (3-е изд.). Психология Press.
  3. ^ Boff KR; Кауфман Л; Томас Дж. П. (ред.). Справочник по восприятию и возможностям человека: Vol. I. Сенсорные процессы и восприятие. Нью-Йорк: Джон Вили. PMID  9402648.
  4. ^ Гешайдер Г (1997). «Глава 5: Теория обнаружения сигналов». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN  978-0-8058-2281-6. PMID  9402648.
  5. ^ Густав Теодор Фехнер (1860). Elemente der Psychophysik (Элементы психофизики).
  6. ^ а б c Snodgrass JG. 1975. Психофизика. В: Экспериментальная сенсорная психология. B Scharf. (Ред.) Стр. 17–67.
  7. ^ а б c Гешайдер Г (1997). «Глава 1: Психофизические измерения пороговых значений: дифференциальная чувствительность». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN  978-0-8058-2281-6. PMID  9402648.
  8. ^ Broadbent DE. 1964. Поведение; Нейссер У. 1970. Когнитивная психология.
  9. ^ а б Чарльз Сандерс Пирс и Джозеф Джастроу (1885). «О небольших различиях в ощущениях». Воспоминания Национальной академии наук. 3: 73–83.
  10. ^ а б Взлом, Ян (Сентябрь 1988 г.). «Телепатия: истоки рандомизации в экспериментальном дизайне». Исида. 79 (3, «Специальный выпуск об артефактах и ​​экспериментах»): 427–451. Дои:10.1086/354775. JSTOR  234674. МИСТЕР  1013489. S2CID  52201011.
  11. ^ а б Стивен М. Стиглер (Ноябрь 1992 г.). «Исторический взгляд на статистические концепции в психологии и образовательных исследованиях». Американский журнал образования. 101 (1): 60–70. Дои:10.1086/444032. S2CID  143685203.
  12. ^ а б Труди Дехуэ (декабрь 1997 г.). «Обман, эффективность и случайные группы: психология и постепенное возникновение дизайна случайных групп» (PDF). Исида. 88 (4): 653–673. Дои:10.1086/383850. PMID  9519574. S2CID  23526321.
  13. ^ Джозеф Джастроу (21 декабря 1916 г.). "Чарльз С. Пирс как учитель". Журнал философии, психологии и научных методов. 13 (26): 723–726. Дои:10.2307/2012322. JSTOR  2012322.и поиск по текстовой строке
  14. ^ Омар Халифа (1999). «Кто является основоположником психофизики и экспериментальной психологии?». Американский журнал исламских социальных наук. 16 (2).
  15. ^ Aaen-Stockdale, C.R. (2008). «Ибн аль-Хайтам и психофизика». Восприятие. 37 (4): 636–638. Дои:10.1068 / стр5940. PMID  18546671. S2CID  43532965.
  16. ^ Гешайдер Г (1997). «Глава 2: Психофизические измерения пороговых значений: абсолютная чувствительность». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN  978-0-8058-2281-6. PMID  9402648.
  17. ^ Джон Кранц. «Ощущение и восприятие» В архиве 2017-11-17 в Wayback Machine. С. 2.3–2.4. Проверено 29 мая 2012 года.
  18. ^ Schacter, Daniel L .; Гилберт, Дэниел т .; Вегнер, Дэниел М. (2010). Психология (2-е изд.)
  19. ^ Густав Теодор Фехнер (1860). Elemente der Psychophysik (Элементы психофизики), Kap. IX: Das Weber’sche Gesetz.
  20. ^ Психология: наука о поведении. 4-й ED. Нил Р. Карлсон, К. Дональд Хет
  21. ^ Гешайдер Г (1997). «Глава 4: Классическая психофизическая теория». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN  978-0-8058-2281-6. PMID  9402648.
  22. ^ а б Страсбургер Х (1995–2020). Программное обеспечение для визуальной психофизики: обзор. VisionScience.com
  23. ^ а б c d е Гешайдер Г (1997). «Глава 3: Классические психофизические методы». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN  978-0-8058-2281-6. PMID  9402648.
  24. ^ Хромой, Дональд; Джанет Лэминг (1992). «Ф. Гегельмайер: О памяти на длину строки». Психологические исследования. 54 (4): 233–239. Дои:10.1007 / BF01358261. ISSN  0340-0727. PMID  1494608. S2CID  6965887.
  25. ^ а б c Трейтвейн, Бернхард (сентябрь 1995 г.). «Адаптивные психофизические процедуры». Исследование зрения. 35 (17): 2503–2522. Дои:10.1016 / 0042-6989 (95) 00016-X. PMID  8594817. S2CID  10550300.
  26. ^ Гарсиа-Перес, Массачусетс (1998). «Лестницы принудительного выбора с фиксированными размерами ступенек: асимптотические и маловыборочные свойства». Видение Res. 38 (12): 1861–81. Дои:10.1016 / S0042-6989 (97) 00340-4. PMID  9797963. S2CID  18832392.
  27. ^ Уотсон, Эндрю Б .; Пелли, Денис Г. (март 1983 г.). «Квест: байесовский адаптивный психометрический метод». Восприятие и психофизика. 33 (2): 113–120. Дои:10.3758 / BF03202828. PMID  6844102.
  28. ^ Харви, Льюис О. (ноябрь 1986 г.). «Эффективная оценка сенсорных порогов». Методы, инструменты и компьютеры исследования поведения. 18 (6): 623–632. Дои:10.3758 / BF03201438.
  29. ^ Концевич, Леонид Л .; Тайлер, Кристофер В. (август 1999 г.). «Байесовская адаптивная оценка психометрического наклона и порога». Исследование зрения. 39 (16): 2729–2737. Дои:10.1016 / S0042-6989 (98) 00285-5. PMID  10492833. S2CID  8464834.
  30. ^ Стивенс, С. С. (1957). «О психофизическом законе». Психологический обзор. 64 (3): 153–181. Дои:10,1037 / ч 0046162. PMID  13441853.

Рекомендации

  • Steingrimsson, R .; Люс, Р. Д. (2006). «Эмпирическая оценка модели глобальных психофизических суждений: III. Форма для психофизической функции и фильтрации интенсивности». Журнал математической психологии. 50: 15–29. Дои:10.1016 / j.jmp.2005.11.005.

внешняя ссылка

  • Связь Немецкий сайт о диссертационном проекте с анимацией о методе звездообразного положения (Transformed Up / Down Staricase Method)