Психофизика количественно исследует взаимосвязь между физическими стимулами и ощущениями и восприятиями , которые они вызывают. Психофизику описывают как «научное исследование связи между стимулом и ощущением » [1] или, более полно, как «анализ процессов восприятия путем изучения влияния на опыт или поведение субъекта систематического изменения свойств стимула». вдоль одного или нескольких физических измерений». [2]
Психофизика также относится к общему классу методов, которые можно применять для изучения системы восприятия . Современные приложения в значительной степени полагаются на измерение порогов, [3] анализ идеального наблюдателя и теорию обнаружения сигналов . [4]
Психофизика имеет широкое и важное практическое применение. Например, при изучении цифровой обработки сигналов психофизика способствовала разработке моделей и методов сжатия с потерями . Эти модели объясняют, почему люди воспринимают очень небольшую потерю качества сигнала, когда аудио- и видеосигналы форматируются с использованием сжатия с потерями.
Многие классические методы и теории психофизики были сформулированы в 1860 году, когда Густав Теодор Фехнер в Лейпциге опубликовал «Элементы психофизики» . [5] Он ввел термин «психофизика», описывая исследования, направленные на то, чтобы связать физические стимулы с содержимым сознания, таким как ощущения (Empfindungen) . Как физик и философ, Фехнер стремился разработать метод, который связывает материю с разумом, соединяя публично наблюдаемый мир и лично переживаемое человеком впечатление о нем. Его идеи были вдохновлены экспериментальными результатами о осязании и свете, полученными в начале 1830-х годов немецким физиологом Эрнстом Генрихом Вебером в Лейпциге , [6] [7], в первую очередь результатами о минимально заметной разнице в интенсивности стимулов умеренной силы. (просто заметная разница; jnd), которая, как показал Вебер, является постоянной долей эталонной интенсивности и которую Фехнер назвал законом Вебера. Отсюда Фехнер вывел свою знаменитую логарифмическую шкалу, ныне известную как шкала Фехнера . Работы Вебера и Фехнера легли в основу психологии как науки : Вильгельм Вундт основал первую лабораторию психологических исследований в Лейпциге (Institut für Experimentelle Psychologie). Работа Фехнера систематизировала интроспекционистский подход (психология как наука о сознании), которому пришлось конкурировать с бихевиористским подходом, согласно которому даже вербальные реакции являются столь же физическими, как и стимулы.
Работу Фехнера изучал и расширял Чарльз С. Пирс , которому помогал его ученик Джозеф Джастроу , который вскоре сам стал выдающимся психологом-экспериментатором. Пирс и Ястроу в значительной степени подтвердили эмпирические выводы Фехнера, но не все. В частности, классический эксперимент Пирса и Ястроу отверг оценку Фехнера порога восприятия весов. В своем эксперименте Пирс и Ястроу фактически изобрели рандомизированные эксперименты: они случайным образом распределили добровольцев на слепое исследование с повторными измерениями , чтобы оценить их способность различать веса. [8] [9] [10] [11] На основании своих результатов они утверждали, что основные функции были непрерывными и что не существует порога, ниже которого разница в физической величине была бы необнаружена. 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. [8] [9] [10] [11]
Эксперименты Пирса-Ястроу проводились как часть применения Пирсом его программы прагматизма к человеческому восприятию ; другие исследования рассматривали восприятие света и т. д. [12] Джастроу написал следующее резюме: «Курсы г-на Пирса по логике дали мне мой первый реальный опыт интеллектуальных мускулов. Хотя я сразу же отправился в лабораторию психологии, когда это было установлено Стэнли Холл , именно Пирс дал мне первое обучение способам решения психологических проблем и в то же время стимулировал мою самооценку, доверив мне, тогда совершенно не знавшему никаких лабораторных привычек, провести настоящее небольшое исследование. одолжил для меня аппарат, который я взял в свою комнату, установил у окна и с помощью которого, при подходящем освещении, проводил наблюдения. Результаты были опубликованы под нашими общими именами в Трудах Национальной академии наук. наук . Демонстрация того, что следы сенсорного воздействия, слишком незначительные, чтобы их можно было зарегистрировать в сознании, тем не менее могут влиять на суждения, сама по себе могла быть постоянным мотивом, побудившим меня годы спустя взяться за книгу о « Подсознании ». Эта работа четко отличает наблюдаемую когнитивную деятельность от выражения сознания.
Современные подходы к сенсорному восприятию, такие как исследования зрения, слуха или осязания, измеряют то, что суждение воспринимающего извлекает из стимула, часто оставляя в стороне вопрос, какие ощущения он испытывает. Один из ведущих методов основан на теории обнаружения сигналов , разработанной для случаев очень слабых стимулов. Однако субъективистский подход сохраняется среди последователей традиции Стэнли Смита Стивенса (1906–1973). Стивенс возродил идею степенного закона , предложенную исследователями XIX века, в отличие от лог-линейной функции Фехнера (ср. Степенной закон Стивенса ). Он также выступал за присвоение чисел в зависимости от силы стимулов, называемое оценкой величины. Стивенс добавил такие методы, как производство величин и кросс-модальное сопоставление. Он выступал против присвоения силы стимула точкам на линии, которые отмечены в порядке силы. Тем не менее, такого рода ответы остаются популярными в прикладной психофизике. Такие схемы с несколькими категориями часто ошибочно называют шкалой Лайкерта в честь вопросов, используемых Лайкертом для создания многопунктовых психометрических шкал, например, семь фраз от «полностью согласен» до «полностью не согласен».
Омар Халифа [13] утверждал, что основоположником психофизики следует считать средневекового учёного Альхазена . Хотя аль-Хайсам сделал много субъективных отчетов о зрении, нет никаких доказательств того, что он использовал количественные психофизические методы, и такие утверждения были отвергнуты. [14] [ сомнительно ]
Психофизики обычно используют экспериментальные стимулы, которые можно объективно измерить, например чистые тона различной интенсивности или свет различной яркости. Изучены все органы чувств : зрение , слух , осязание (включая кожное и кишечное восприятие ), вкус , обоняние и чувство времени . Независимо от сенсорной области, существуют три основные области исследования: абсолютные пороги, пороги дискриминации и масштабирование.
Порог (или предел) — это точка интенсивности, при которой участник может просто обнаружить наличие стимула (абсолютный порог [15] ) или наличие разницы между двумя стимулами (порог различия [7] ). Стимулы с интенсивностью ниже порога считаются необнаружимыми (следовательно, подпороговыми). Стимулы со значениями, достаточно близкими к пороговому, в некоторой части случаев часто можно обнаружить; следовательно, порогом считается точка, в которой стимул или изменение стимула обнаруживается в некоторой пропорции p случаев.
Абсолютный порог — это уровень интенсивности стимула, при котором субъект способен обнаружить присутствие стимула в течение некоторого времени ( часто используется уровень p , равный 50%). [16] Примером абсолютного порога является количество волос на тыльной стороне руки, к которым необходимо прикоснуться, прежде чем их можно будет почувствовать: участник может не чувствовать прикосновения к одному волосу, но может чувствовать два или три, поскольку это превышает порог. Абсолютный порог также часто называют порогом обнаружения. Для измерения абсолютных порогов используется несколько различных методов (как и порогов дискриминации; см. ниже).
Порог различия (или едва заметное различие , JND) — это величина наименьшей разницы между двумя стимулами разной интенсивности, которую участник способен обнаружить в течение некоторого времени (процент зависит от типа задачи). Для проверки этого порога используется несколько различных методов. Субъекта можно попросить корректировать один стимул до тех пор, пока он не будет восприниматься таким же, как другой (метод корректировки), можно попросить описать направление и величину разницы между двумя стимулами или решить, соответствует ли интенсивность пара стимулов одинакова или нет (вынужденный выбор). Едва заметная разница (JND) не является фиксированной величиной; скорее, это зависит от того, насколько интенсивны измеряемые стимулы и какое конкретное чувство измеряется. [17] Закон Вебера гласит, что едва заметная разница в стимуле является постоянной пропорцией, несмотря на изменение интенсивности. [18]
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 груз, и просят сказать, тяжелее или легче другой груз (в некоторых экспериментах испытуемый также может сказать, что эти два груза одинаковы). В точке субъективного равенства (PSE) субъект воспринимает два веса как одинаковые. Едва заметное различие, [19] или предел различия (DL), представляет собой величину разницы в стимулах, которую испытуемый замечает в течение некоторой доли времени p ( в задаче сравнения для p обычно используется 50% ). Кроме того, парадигма принудительного выбора с двумя альтернативами (2-afc) может использоваться для оценки точки, в которой производительность сводится к случайности при различении между двумя альтернативами ( тогда p обычно будет 75%, поскольку p = 50% соответствует случайности). в задаче 2-afc).
Абсолютный и разностный пороги иногда в принципе считаются одинаковыми, поскольку всегда существует фоновый шум, мешающий нашей способности обнаруживать стимулы. [6] [20]
В психофизике эксперименты направлены на то, чтобы 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 сделан Страсбургером. [21]
В психофизических экспериментах традиционно использовались три метода проверки восприятия испытуемых в экспериментах по обнаружению стимулов и обнаружению различий: метод пределов, метод постоянных стимулов и метод настройки. [22]
При восходящем методе ограничений какое-либо свойство стимула начинается на настолько низком уровне, что стимул не может быть обнаружен, затем этот уровень постепенно повышается до тех пор, пока участник не сообщит, что он знает об этом. Например, если в ходе эксперимента проверяется минимальная амплитуда звука, которую можно обнаружить, звук становится слишком тихим, чтобы его можно было воспринимать, и постепенно становится громче. В нисходящем методе пределов все происходит наоборот. В каждом случае порогом считается уровень свойства стимула, при котором стимулы только что обнаружены. [22]
В экспериментах поочередно используются восходящий и нисходящий методы, а пороги усредняются. Возможным недостатком этих методов является то, что субъект может привыкнуть сообщать о том, что он воспринимает стимул, и может продолжать сообщать то же самое даже за пределами порога (ошибка привыкания ) . И наоборот, субъект может также предвидеть, что стимул вот-вот станет обнаруживаемым или необнаружимым, и может сделать преждевременное суждение (ошибка ожидания).
Чтобы избежать этих потенциальных ошибок, Георг фон Бекеши в 1960 году в своем исследовании слухового восприятия ввел процедуру лестницы. В этом методе звук сначала становится слышимым, а затем становится тише после каждого ответа испытуемого, пока испытуемый не сообщит, что слышал его. В этот момент звук становится громче с каждым шагом, пока субъект не сообщит, что слышит его, после чего звук снова становится тише. Таким образом, экспериментатор может «нацелиться» на порог. [22]
Вместо представления 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 лишает испытуемого возможности предсказать уровень следующего стимула и, следовательно, уменьшает ошибки привыкания и ожидания. Для «абсолютных порогов» испытуемый снова сообщает, способен ли он обнаружить стимул. [22] Для «порогов различия» должен существовать постоянный стимул сравнения с каждым из различных уровней. Фридрих Гегельмайер описал метод постоянных раздражителей в статье 1852 года. [23] Этот метод позволяет получить полную выборку психометрической функции , но может привести к большому количеству испытаний, когда несколько условий чередуются.
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 еще называют методом средней ошибки . [22] В этом методе наблюдатели сами контролируют величину переменного стимула, начиная с уровня, который явно больше или меньше стандартного, и варьируют его до тех пор, пока они не будут удовлетворены субъективным равенством этих двух стимулов. Отличие переменных стимулов от эталонного фиксируют после каждой корректировки, а ошибку табулируют для значительной серии. В конце рассчитывается среднее значение, дающее среднюю ошибку, которую можно принять в качестве меры чувствительности.
Классические методы экспериментирования часто считаются неэффективными. Это связано с тем, что перед тестированием психометрический порог обычно неизвестен, и большая часть данных собирается в точках психометрической функции , которые предоставляют мало информации об интересующем параметре, обычно о пороге. Процедуры адаптивной лестницы (или классический метод корректировки) можно использовать таким образом, чтобы выбранные точки группировались вокруг психометрического порога. Точки данных также могут быть распределены в несколько более широком диапазоне, если наклон психометрической функции также представляет интерес. Таким образом, адаптивные методы можно оптимизировать для оценки только порога или и порога, и наклона. Адаптивные методы подразделяются на лестничные процедуры (см. ниже) и байесовские методы, или методы максимального правдоподобия. Лестничные методы полагаются только на предыдущий ответ, и их легче реализовать. Байесовские методы учитывают весь набор предыдущих пар стимул-реакция и, как правило, более устойчивы к провалам внимания. [24] Практические примеры можно найти здесь. [21]
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» и интенсивность увеличивается до тех пор, пока наблюдатель не отреагирует правильно, вызывая еще один разворот. Затем значения последнего из этих «разворотов» усредняются. Существует множество различных типов лестничных процедур, в которых используются разные правила принятия решений и завершения. Правила размера шага, повышения/понижения и распространение базовой психометрической функции определяют, где в психометрической функции они сходятся. [24] Пороговые значения, полученные на лестницах, могут сильно колебаться, поэтому при их проектировании необходимо соблюдать осторожность. Гарсия-Перес смоделировал множество различных лестничных алгоритмов и предложил некоторые практические рекомендации. [25]
Одна из наиболее распространенных конструкций лестниц (с фиксированными размерами ступенек) — это лестница «1 вверх-N-вниз». Если участник дает правильный ответ N раз подряд, интенсивность стимула снижается на один шаг. Если участник дает неправильный ответ, интенсивность стимула увеличивается на один размер. Порог оценивается по средней средней точке всех прогонов. Эта оценка асимптотически приближается к правильному порогу.
Байесовские и адаптивные процедуры максимального правдоподобия (ML) ведут себя с точки зрения наблюдателя аналогично лестничным процедурам. Однако выбор следующего уровня интенсивности работает по-другому: после каждой реакции наблюдателя на основе набора этой и всех предыдущих пар стимул/реакция рассчитывается вероятность того, где находится порог. Затем точка максимального правдоподобия выбирается как лучшая оценка порога, 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. [24] По сравнению с ступенчатыми процедурами, байесовские процедуры и процедуры машинного обучения требуют больше времени для реализации, но считаются более надежными. Хорошо известными процедурами такого рода являются Quest, [26] ML-PEST, [27] и метод Концевича и Тайлера. [28]
В прототипном случае людей просят присвоить числа пропорционально величине стимула. Эта психометрическая функция средних геометрических чисел часто представляет собой степенной закон со стабильным, воспроизводимым показателем. Хотя контекст и может изменить закон и показатель степени, это изменение также стабильно и воспроизводимо. Вместо чисел для сопоставления стимула можно использовать другие сенсорные или когнитивные измерения, и тогда метод становится «производством величины» или «кросс-модальным сопоставлением». Показатели этих измерений, найденные при числовой оценке величины, предсказывают показатели, найденные при производстве величины. Оценка величины обычно обнаруживает более низкие показатели психофизической функции, чем ответы нескольких категорий, из-за ограниченного диапазона категориальных якорей, таких как те, которые Лайкерт использовал в качестве пунктов в шкалам отношений. [29]
