Психофизика
| Часть серии о |
| Психология |
|---|
 |
Психофизика количественно исследует взаимосвязь между физическими стимулами и ощущениями и восприятиями , которые они вызывают. Психофизику называют «научным исследованием 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 по одному или нескольким физическим измерениям». [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 теория обнаружения сигналов . [4]
Психофизика имеет широкое и важное практическое применение. Например, в области цифровой обработки сигналов идеи психофизики послужили основой для разработки моделей и методов сжатия с потерями . Эти модели помогают объяснить, почему люди обычно воспринимают минимальную потерю качества сигнала, когда аудио- и видеосигналы сжимаются с использованием методов с потерями.
История
[ редактировать ]Многие классические методы и теории психофизики были сформулированы в 1860 году, когда Густав Теодор Фехнер в Лейпциге опубликовал «Элементы психофизики» («Элементы психофизики») . [5] Он ввел термин «психофизика», описывающий 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, связывая публично наблюдаемый мир и лично переживаемое человеком впечатление о нем. Его идеи были вдохновлены экспериментальными результатами по осязанию и свету, полученными в начале 1830-х годов немецким физиологом Эрнстом Генрихом Вебером в Лейпциге . [6] [7] в первую очередь те, которые касаются минимально заметной разницы в интенсивности стимулов умеренной силы (просто заметная разница; jnd), которая, как показал Вебер, представляет собой постоянную долю 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 непрерывны и что не существует порога, ниже которого разница в физических величинах не была бы обнаружена. 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] Ястроу написал следующее резюме: «Курсы г-на Пирса по логике дали мне мой первый реальный опыт интеллектуальных мышц. Хотя я сразу же пошел в лабораторию психологии, когда она была основана Стэнли Холлом , именно Пирс дал мне мое первое обучение в Он одолжил мне аппарат, который я взял в свою комнату. установлен у моего окна и с помощью которого, при подходящем освещении, я проводил наблюдения. Результаты были опубликованы под нашими совместными именами в Трудах Национальной академии наук . Демонстрация того, что следы сенсорного воздействия слишком незначительны, чтобы их можно было заметить. любая запись в сознании, тем не менее, могла повлиять на суждение, возможно, сама по себе была 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, обозначеннымпорядок силы. Тем не менее, такого рода ответы остаются популярными в прикладной психофизике. Такие макеты с несколькими категориями часто ошибочно называют Шкала Лайкерта после вопросов, используемых Лайкертом для создания многопунктовых психометрических шкал, например, семь фраз от «полностью согласен» до «полностью не согласен».
Омар Халифа [13] утверждал, что средневекового учёного Альхазена основателем психофизики следует считать . 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 – обсудить ]
Пороги
[ редактировать ]Психофизики обычно используют экспериментальные стимулы, которые можно объективно измерить, например, чистые тона различной интенсивности или свет различной яркости. все канонические чувства Изучены : зрение , слух , осязание (включая кожное и кишечное восприятие ), вкус , обоняние и чувство времени . Независимо от сенсорной области, существует 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 разницу между двумя стимулами (порог различия [7] ). Стимулы с интенсивностью ниже этого порога не обнаруживаются и считаются подсознательными . В некоторых случаях можно обнаружить стимулы со значениями, близкими к пороговому; следовательно, порог определяется как точка, в которой стимул или изменение стимула обнаруживается в определенной части p испытаний.
Обнаружение
[ редактировать ]Абсолютный порог — это уровень интенсивности, при котором субъект может обнаружить присутствие стимула в течение определенного периода времени; % . Обычно используется уровень p 50 [16] Например, рассмотрим абсолютный порог тактильных ощущений на тыльной стороне ладони. Участник может не почувствовать прикосновения к одному волосу, но может обнаружить прикосновение двух или трех волос, поскольку это превышает порог. Абсолютный порог также часто называют порогом обнаружения . Для измерения абсолютных порогов используются различные методы, аналогичные тем, которые используются для определения порогов дискриминации (см. ниже).
Дискриминация
[ редактировать ]Порог различия (или едва заметное различие , JND) — это величина наименьшей разницы между двумя стимулами разной интенсивности, которую участник может обнаружить в течение определенного периода времени, причем конкретный процент зависит от задачи. Для проверки этого порога используется несколько методов. Например, испытуемого можно попросить корректировать один стимул до тех пор, пока он не будет восприниматься как идентичный другому (метод корректировки), описать направление и величину разницы между двумя стимулами или решить, является ли интенсивность в паре стимулов одинаковы или различны (вынужденный выбор). Едва заметная разница не является фиксированной величиной; скорее, оно варьируется в зависимости от интенсивности стимулов и конкретного проверяемого чувства. [17] Согласно закону Вебера , едва заметная разница для любого стимула представляет собой постоянную пропорцию, независимо от изменений интенсивности. [18]
В экспериментах по распознаванию экспериментатор пытается определить, в какой момент становится заметной разница между двумя стимулами, например двумя гирями или двумя звуками. Испытуемому предъявляют один стимул, например гирю, и просят сказать, тяжелее или легче другая гиря. В некоторых экспериментах испытуемый может также указать, что эти два веса одинаковы. В точке субъективного равенства (PSE) субъект воспринимает оба веса как идентичные. Едва заметное различие, или предел различия (DL), представляет собой величину разницы в стимулах, которую испытуемый замечает в течение некоторой доли p времени используется 50% . для p ; обычно в задаче сравнения [19] Кроме того, парадигма принудительного выбора с двумя альтернативами (2AFC) используется для оценки точки, в которой производительность сводится к случайности при различении двух альтернатив; здесь p обычно составляет 75%, поскольку вероятность успеха 50% соответствует случайности в задаче 2AFC.
Абсолютный и разностный пороги иногда в принципе считаются одинаковыми, поскольку фоновый шум всегда мешает нашей способности обнаруживать стимулы. [6] [20]
Экспериментирование
[ редактировать ]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]
Классические психофизические методы
[ редактировать ]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]
Метод пределов
[ редактировать ]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 ввел процедуру лестницы в 1960 году в своем исследовании слухового восприятия . В этом методе звук сначала становится слышимым, а затем становится тише после каждого ответа испытуемого, пока испытуемый не сообщит, что слышит 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]
Метод постоянных раздражителей
[ редактировать ]Вместо того, чтобы представляться 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 множеству испытаний, когда несколько условий чередуются.
Метод регулировки
[ редактировать ]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 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.
Адаптивные психофизические методы
[ редактировать ]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]
Лестничные процедуры
[ редактировать ]
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 лестничных клетках, могут сильно колебаться, поэтому при их проектировании необходимо соблюдать осторожность. Гарсиа-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 процедуры и процедуры максимального правдоподобия
[ редактировать ]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 лестничными процедурами реализация байесовских процедур и процедур машинного обучения требует больше времени, но считается более надежной. Известными процедурами такого рода являются Квест, [26] МЛ-ПЕСТ, [27] и метод Концевича и Тайлера. [28]
Оценка величины
[ редактировать ]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 элементов в шкалам отношения. [29]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Гешайдер Г (1997). Психофизика: основы (3-е изд.). дои : 10.4324/9780203774458 . ISBN 978-0-8058-2281-6 . S2CID 241358787 .
- ^ Брюс В., Зеленый PR, Джорджсон М.А. (1996). Зрительное восприятие (3-е изд.). Психология Пресс.
- ^ Бофф КР; Кауфман Л; Томас Дж.П., ред. (1986). Справочник по восприятию и деятельности человека: Том. I. Сенсорные процессы и восприятие . Нью-Йорк: Джон Уайли.
- ^ Гешайдер Г (1997). «Глава 5: Теория обнаружения сигналов». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN 978-0-8058-2281-6 .
- ^ Густав Теодор Фехнер (1860). Элементы психофизики .
- ^ Jump up to: а б с Снодграсс Дж.Г. 1975. Психофизика. В: Экспериментальная сенсорная психология . Б Шарф. (Ред.), стр. 17–67.
- ^ Jump up to: а б с Гешайдер Г (1997). «Глава 1: Психофизическое измерение порогов: дифференциальная чувствительность». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN 978-0-8058-2281-6 .
- ^ Jump up to: а б Чарльз Сандерс Пирс и Джозеф Джастроу (1885 г.). «О малых различиях в ощущениях» . Мемуары Национальной академии наук . 3 : 73–83.
- ^ Jump up to: а б Хакерство, 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 . МР 1013489 . S2CID 52201011 .
- ^ Jump up to: а б Стивен М. Стиглер (ноябрь 1992 г.). «Исторический взгляд на статистические концепции в психологии и исследованиях в области образования». Американский журнал образования . 101 (1): 60–70. дои : 10.1086/444032 . S2CID 143685203 .
- ^ Jump up to: а б Труди Деуэ (декабрь 1997 г.). «Обман, эффективность и случайные группы: психология и постепенное возникновение конструкции случайных групп» (PDF) . Исида . 88 (4): 653–673. дои : 10.1086/383850 . ПМИД 9519574 . S2CID 23526321 .
- ^ Джозеф Ястроу (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
- ^ Омар Халифа (1999). «Кто основатель психофизики и экспериментальной психологии?». Американский журнал исламских социальных наук . 16 (2).
- ^ Аэн-Стокдейл, Чехия (2008). «Ибн аль-Хайсам и психофизика». Восприятие . 37 (4): 636–638. дои : 10.1068/p5940 . ПМИД 18546671 . S2CID 43532965 .
- ^ Гешайдер Г (1997). «Глава 2: Психофизическое измерение порогов: абсолютная чувствительность». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN 978-0-8058-2281-6 .
- ^ Джон Кранц. «Испытание ощущений и восприятия». Архивировано 17 ноября 2017 г. в Wayback Machine . стр. 2.3–2.4. Проверено 29 мая 2012 г.
- ^ Шактер, Дэниел Л.; Гилберт, Дэниел т.; Вегнер, Дэниел М. (2010). Психология (2-е изд.)
- ^ Густав Теодор Фехнер (1860). Элементы психофизики, гл. IX: Закон Вебера.
- ^ Психология: наука о поведении . 4-е изд. Нил Р. Карлсон, К. Дональд Хет
- ^ Гешайдер Г (1997). «Глава 4: Классическая психофизическая теория». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN 978-0-8058-2281-6 .
- ^ Jump up to: а б Страсбургер Х (1995–2020). Программное обеспечение для визуальной психофизики: обзор. VisionScience.com
- ^ Jump up to: а б с д и Гешайдер Г (1997). «Глава 3: Классические психофизические методы». Психофизика: основы (3-е изд.). Лоуренс Эрлбаум Ассошиэйтс. ISBN 978-0-8058-2281-6 .
- ^ Ламинг, Дональд; Джанет Лэминг (1992). «Ф. Гегельмайер: О памяти на длину строки». Психологические исследования . 54 (4): 233–239. дои : 10.1007/BF01358261 . ISSN 0340-0727 . ПМИД 1494608 . S2CID 6965887 .
- ^ Jump up to: а б с Тройтвейн, Бернхард (сентябрь 1995 г.). «Адаптивные психофизические процедуры» . Исследование зрения . 35 (17): 2503–2522. дои : 10.1016/0042-6989(95)00016-X . ПМИД 8594817 . S2CID 10550300 .
- ^ Гарсия-Перес, Массачусетс (1998). «Лестницы принудительного выбора с фиксированными размерами ступенек: асимптотические и маловыборочные свойства» . Видение Рез . 38 (12): 1861–81. дои : 10.1016/S0042-6989(97)00340-4 . ПМИД 9797963 . S2CID 18832392 .
- ^ 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 . ПМИД 6844102 .
- ^ Харви, Льюис О. (ноябрь 1986 г.). «Эффективная оценка сенсорных порогов» . Методы, инструменты и компьютеры исследования поведения . 18 (6): 623–632. дои : 10.3758/BF03201438 .
- ^ 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 . ПМИД 10492833 . S2CID 8464834 .
- ^ Стивенс, СС (1957). «О психофизическом законе». Психологический обзор . 64 (3): 153–181. дои : 10.1037/h0046162 . ПМИД 13441853 .
Ссылки
[ редактировать ]- Стейнгримссон, Р.; Люси, Р.Д. (2006). «Эмпирическая оценка модели глобальных психофизических суждений: III. Форма фильтрации психофизической функции и интенсивности». Журнал математической психологии . 50 : 15–29. дои : 10.1016/j.jmp.2005.11.005 .
- Королевство, Фредерик А.А.; Принс, Николаас (2016). Психофизика. Практическое введение (2-е изд.). Эльзевир. ISBN 9780124071568 . Проверено 1 августа 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Ссылка на немецкий веб-сайт диссертационного проекта с анимацией о методе лестницы (метод Transformed Up/Down Staricase)
