Кіріспе
Физикалық тітіркендіргіштер мен психологиялық қабылдауды байланыстыратын білім саласы. Психофизика физикалық тітіркендіргіштер мен олар тудыратын сезімдер мен қабылдаулар арасындағы қатынасты санмен өлшеу арқылы зерттейді. Психофизика "тітіркендіргіш пен сезім арасындағы қатынасты ғылыми тұрғыдан зерттеу" немесе толыққандырақ айтқанда, "бір немесе бірнеше физикалық өлшемдер бойынша тітіркендіргіштің қасиеттерін жүйелі түрде өзгерту арқылы субъектінің тәжірибесіне немесе мінез-құлқына тигізетін әсерді зерттеу арқылы қабылдау процестерін талдау" деп сипатталады. Психофизика сондай-ақ қабылдау жүйесін зерттеу үшін қолданылатын әдістердің жалпы класын білдіреді. Қазіргі қолданыстар негізінен шектік өлшемдер, идеалды бақылаушы талдауы және сигналды анықтау теориясына сүйенеді. Психофизиканың кең таралған және маңызды практикалық қолданыстары бар. Мысалы, цифрлық сигналды өңдеу саласында психофизикадан алынған білімдер сигналды жоғалтумен сығылудың модельдері мен әдістерін жасауға көмектесті. Бұл модельдер адамдар аудио және бейне сигналдар жоғалту әдістерімен сығылған кезде сигнал сапасының минималды жоғалуын қалай сезінетінін түсіндіруге көмектеседі.
Psychophysics quantitatively investigates the relationship between physical stimuli and the sensations and perceptions they produce. Psychophysics has been described as "the scientific study of the relation between stimulus and sensation" or, more completely, as "the analysis of perceptual processes by studying the effect on a subject's experience or behaviour of systematically varying the properties of a stimulus along one or more physical dimensions". Psychophysics also refers to a general class of methods that can be applied to study a perceptual system. Modern applications rely heavily on threshold measurement, ideal observer analysis, and signal detection theory. Psychophysics has widespread and important practical applications. For instance, in the realm of digital signal processing, insights from psychophysics have guided the development of models and methods for lossy compression. These models help explain why humans typically perceive minimal loss of signal quality when audio and video signals are compressed using lossy techniques.
Тарих
Психофизиканың көптеген классикалық әдістері мен теориялары 1860 жылы Густав Теодор Фехнердің Лейпцигте "Элемент дер Психофизика" (Психофизика элементтері) атты еңбегін жариялаған кезде қалыптасты. Ол "психофизика" терминін енгізіп, физикалық тітіркендіргіштерді сезімдер (Empfindungen) сияқты сананың мазмұнымен байланыстыруға бағытталған зерттеулерді сипаттады. Физик және философ ретінде Фехнер материя мен сананы байланыстыратын әдіс әзірлеуге, жұртқа көрінетін әлем мен жеке адамның оны жеке тәжірибесі арқылы қабылдауын байланыстыруға ұмтылды. Оның идеялары 1830-шы жылдардың басында неміс физиологы Эрнст Генрих Вебердің Лейпцигте қолмен және жарық сезімі туралы тәжірибелік нәтижелерінен шабыт алды, әсіресе Вебердің орташа күші бар тітіркендіргіштердің интенсивтілігіндегі ең аз байқалатын айырмашылықты (тек байқалатын айырмашылық; jnd) анықтауы, ол эталондық интенсивтіліктің тұрақты үлесі екенін көрсетті, және Фехнер бұл заңды Вебер заңы деп атады. Осыдан Фехнер өзінің белгілі логарифмдік шкаласын шығарды, ол қазір Фехнер шкаласы деп аталады. Вебер мен Фехнердің еңбектері психологияның ғылым ретінде қалыптасуына негіз болды, Вильгельм Вундт Лейпцигте психологиялық зерттеулер үшін алғашқы зертхананы (Эксперименттік психология институты) құрды. Фехнердің еңбегі интроспекционизмді жүйелендірді (психология – сана ғылымы ретінде), ол тіпті вербальды жауаптардың да тітіркендіргіштер сияқты физикалық болатын бихевиоризммен күресуге мәжбүр болды. Фехнердің жұмысын Чарльз С. Пирс зерттеді және кеңейтті, оған оның шәкірті Джозеф Джастроу көмектесті, ол көп ұзамай өзінің тәжірибелік психологы болды. Пирс пен Джастроу Фехнердің эмпирикалық тұжырымдарын көбінесе растады, бірақ барлығын емес. Атап айтқанда, Пирс пен Джастроудың классикалық эксперименті Фехнердің салмақты қабылдау шегін бағалауын жоққа шығарды. Эксперименттерінде Пирс пен Джастроу кездейсоқ эксперименттерді ойлап тапты: олар салмақты ажырата білу қабілетін бағалау үшін еріктілерді соқыр, қайталанатын өлшемдер жобасына кездейсоқ тағайындады. Нәтижелері бойынша олар негізгі функциялар үздіксіз екенін және физикалық шамадағы айырмашылықты анықтамайтын шек жоқ екенін дәлелдеді. Пирстің эксперименті психология мен білім беру саласындағы басқа да зерттеушілерді 1900 жылдары зертханаларда және арнайы оқулықтарда кездейсоқ эксперименттер жүргізудің ғылыми дәстүрін дамытуға шабыттандырды. Джастроу келесідей қорытынды жазды: "Пирс мырзаның логика курстары маған интеллектуалды күштің алғашқы нақты тәжірибесін берді. Мен тез арада Стэнли Холл құрған психология зертханасына барып, ол маған психологиялық проблемаларды шешудегі алғашқы оқытуды берді, сонымен қатар мені, зертханалық әдеттерге онша үйренбегенімді, нақты зерттеумен сеніп тапсыру арқылы өзімнің бағалауымды арттырды. Ол маған аппаратты қарызға берді, мен оны бөлмеме алып барып, тереземде орнаттым, және жарық жағдайы жақсы болғанда, бақылаулар жасадым. Нәтижелері Ұлттық ғылым академиясының еңбектерінде біздің екеуміздің атымызбен жарияланды. Санада қандай да бір тіркелім жасамайтын сезімдік әсердің іздері үкімге әсер ете алатынының көрсетілуі, мені жылдардан кейін "Сұғылмалы сана" туралы кітап жазуға итермелеген тұрақты себеп болуы мүмкін. Бұл жұмыс байқалатын танымдық өнімділікті сананың көрінісінен анық ажыратады. Сезімдік қабылдаудың қазіргі заманғы тәсілдері, мысалы, көру, есту немесе жанасу бойынша зерттеулер, қабылдаушының үкімінің стимулдан қандай ақпаратты шығаратынын өлшейді, көбінесе қандай сезімдер басынан өткені туралы сұрақтан аулақ болады. Алдыңғы қатардағы әдістердің бірі – өте әлсіз тітіркендіргіштер үшін жасалған сигналды анықтау теориясына негізделген. Алайда, субъективистік көзқарас Стенли Смит Стивенс дәстүріндегілер арасында (1906-1973) сақталады. Стивенс 19-ғасырдағы зерттеушілер ұсынған қуат заңын идеясын қайта жаңғыртты, бұл Фехнердің логарифмдік сызықтық функциясымен қарама-қарсы (мысалы, Стивенстің қуат заңы). Ол сондай-ақ, тітіркендіргіштердің күшіне қарай сандарды бөлуді, шаманы бағалау деп атады. Стивенс шама шығару және кросс-модальді сәйкестендіру сияқты әдістерді қосты. Ол тітіркендіргіштердің күшін күшейту тәртібімен белгіленген сызықтағы нүктелерге тағайындауға қарсы болды. Дегенмен, мұндай жауаптар психофизикада жиі кездеседі. Мұндай бірнеше категориялық орналасулар көбінесе Лайкерт шкаласы деп аталады, оны Лайкерт көп өлшемді психометриялық шкалаларды жасау үшін қолданған сұрақтарға жауаптардан шығарылған. Омар Халифа орта ғасыр ғалымы Әл-Хазенді психофизиканың негізін қалаушы деп санау керек екенін айтқан. Әл-Хайсам көруге қатысты көптеген субъективтік баяндамалар жасаған болса да, ол сандық психофизикалық әдістерді қолданғанына дәлел жоқ, және мұндай талаптар жоққа шығарылды.
order of strength. Nevertheless, that sort of response has remained popular in applied psychophysics. Such multiple category layouts are often misnamed Likert scaling after the question items used by Likert to create multi item psychometric scales, e. g., seven phrases from "strongly agree" through "strongly disagree". Omar Khaleefa has argued that the medieval scientist Alhazen should be considered the founder of psychophysics. Although al Haytham made many subjective reports regarding vision, there is no evidence that he used quantitative psychophysical techniques and such claims have been rebuffed.
Шекті шегі
Психофизиктер әдетте объективті өлшеуге болатын эксперименталдық стимулдарды қолданады, мысалы, интенсивтілігі өзгеріп отыратын таза дыбыстар немесе жарықтылығы өзгеріп отыратын жарықтар. Барлық қалыпты сезімдер зерттелді: көру, есту, сезу (тері және ішек сезімін қоса алғанда), дәм, иіс және уақытты сезіну. Сенсорлық доменге қарамастан, зерттеудің үш негізгі саласы бар: абсолюттік шегі, ажырату шегі және шкалалау. Шегі (немесе лимен) – қатысушы стимулдың бар екенін (абсолюттік шегі) немесе екі стимулдың арасындағы айырмашылықты (ажырату шегі) анықтай алатын интенсивтілік деңгейі. Мысалы, біреудің қолының арқасындағы тактильді сезімнің абсолюттік шегін қарастырайық. Қатысушы бір шашты сезінбеуі мүмкін, бірақ екі немесе үш шашты сезінуі мүмкін, себебі бұл шектен асып түседі. Абсолюттік шек көбінесе анықтау шегі деп те аталады. Абсолюттік шекті өлшеу үшін түрлі әдістер қолданылады, олар ажырату шегін өлшеу үшін қолданылатын әдістерге ұқсас (төменде қараңыз).
Азық-түлік
Айырмашылық шегі (немесе жай ғана байқалатын айырмашылық, JND) – әртүрлі қарқындылықтағы екі тітіркендіргіш арасындағы ең кішкентай айырмашылықтың мөлшері, оны қатысушы белгілі бір уақыт үлесінде анықтай алады, ал нақты пайыз тапсырмаға байланысты болады. Бұл шекті анықтау үшін бірнеше әдістер қолданылады. Мысалы, қатысушыдан бір тітіркендіргішті екіншісімен бірдей сезілгенге дейін реттеуі (реттеу әдісі), екі тітіркендіргіш арасындағы айырмашылықтың бағыты мен шамасын сипаттауы немесе тітіркендіргіштер жұбының қарқындылығы бірдей ме, әлде әртүрлі ме екенін шешуі (мәжбүрлі таңдау) сұралуы мүмкін. Жай ғана байқалатын айырмашылық – тұрақты шама емес; керісінше, ол тітіркендіргіштердің қарқындылығына және сыналып жатқан нақты сезімге байланысты өзгереді. Вебер заңына сәйкес, кез келген тітіркендіргіш үшін байқалатын айырмашылық қарқындылықтың өзгеруіне қарамастан, тұрақты пропорция болып табылады. Ажырату эксперименттерінде тәжірибеші екі тітіркендіргіш арасындағы, мысалы, екі салмақ немесе екі дыбыс арасындағы айырмашылықтың қандай кезде анықталатынын анықтауға тырысады. Қатысушыға бір тітіркендіргіш, мысалы, салмақ ұсынылады және одан басқа салмақтың ауыр ма, жеңіл ме екенін айтуы сұралады. Кейбір эксперименттерде қатысушы екі салмақтың бірдей екенін де көрсетуі мүмкін. Субъективті теңдік (СТ) нүктесінде қатысушы екі салмақты да бірдей деп қабылдайды. Жай ғана байқалатын айырмашылық немесе айырмашылық шегі (DL) – қатысушының уақыттың белгілі бір үлесінде байқаған тітіркендіргіштер арасындағы айырмашылықтың мөлшері болып табылады; әдетте, салыстыру тапсырмасында p үшін 50% қолданылады. Сонымен қатар, екі баламалы мәжбүрлі таңдау (2AFC) парадигмасы екі баламаны ажырату кезінде нәтижелердің кездейсоққа дейін төмендеуін бағалау үшін қолданылады; мұнда p әдетте 75% құрайды, себебі 2AFC тапсырмасындағы 50% сәттілік деңгейі кездейсоқтыққа сәйкес келеді. Абсолюттік және айырмашылық шектері кейде принцип бойынша ұқсас деп есептеледі, өйткені фондық шу біздің тітіркендіргіштерді анықтау қабілетімізге әрдайым кедергі келтіреді.
Тәжірибелік
Психофизикада эксперименттер қатысушының күйзелісті сезіне алатынын, оны тани алатынын, оны басқа күйзелістен ажырата алатынын немесе осы айырмашылықтың дәрежесін немесе мәнін анықтауға бағытталған.
Классикалық психофизикалық әдістер
Психофизикалық эксперименттер дәстүрлі түрде стимулды анықтау және айырмашылықты байқау эксперименттерінде қатысушылардың сезімталдығын тексеру үшін үш әдіс қолданып келді: шектік әдіс, тұрақты стимул әдісі және реттеу әдісі.
Шектілік әдісі
Шектердің жоғарылайтын әдісінде, ынталандырудың белгілі бір қасиеті оны анықтау мүмкін болмайтын төменгі деңгейден басталады, содан кейін қатысушы оны сезінгенін хабарлағанға дейін бұл деңгей біртіндеп арттырылады. Мысалы, егер эксперимент дыбыстың анықталуы мүмкін ең төменгі амплитудасын тексерсе, дыбыс бастапқыда тым үнсіз болады да, біртіндеп күшейеді. Шектердің төмендеу әдісінде бұл процесс кері жүреді. Әр жағдайда, шекті деңгей – ынталандырудың осы қасиетінің қандай деңгейде анықталып басталатынын көрсетеді. Бұл әдіс психометриялық функцияны толыққанды зерттеуге мүмкіндік береді, бірақ бірнеше жағдайлар кезектесіп келіп, көптеген тәжірибелерді қажет етуі мүмкін.
Түзету әдісі
Түзету әдісінде қатысушыға стимул деңгейін бақылап, оны фондық шуда жақсырақ сезінуге болатын немесе басқа стимул деңгейімен теңестіруге дейін өзгерту сұралады. Бұл түзету көп рет қайталанады. Бұл әдіс орташа қателік әдісі деп те аталады. Нақты мысалдар осы жерде келтірілген. Көбінесе қолданылатын баспалдақ схемаларының бірі – «1 жоғары, N төмен» баспалдағы. Егер қатысушы қатарынан N рет дұрыс жауап берсе, стимул қарқындылығы бір қадамға төмендейді. Егер қатысушы дұрыс емес жауап берсе, стимул қарқындылығы бір қадамға жоғарылайды. Шекті деңгей барлық сериялардың орташа нүктесінен есептеледі. Бұл есептеме нақты шекті деңгейге асимптотикалық жақымдасады.
Бейес және ең жоғары ықтималдық әдістері
Байестік және максималды ықтималдық (ML) бейімделу процедуралары бақылаушының көзқарасынан баспалдақ процедураларына ұқсас. Дегенмен, келесі интенсивтілік деңгейін таңдау әр түрлі жұмыс істейді: әр бақылаушы жауабынан кейін, осы және барлық алдыңғы ынталандыру/жауап жұптары жиынтығынан шектің қайда екендігінің ықтималдығы есептеледі. Ең жоғарғы ықтималдық нүктесі шектің ең жақсы бағасы ретінде таңдалады, ал келесі ынталандыру сол деңгейде ұсынылады (өйткені сол деңгейдегі шешім ең көп ақпарат береді). Байес процедурасында, бұрынғы ықтималдық есептеуге қосымша енгізіледі. ML PEST және Концевич пен Тайлердің әдісі.
Үлкендікті бағалау
Типик жағдайда адамдардан ынталандырудың күшіне пропорционалды сандарды тағайындау сұралады. Олардың сандарының геометриялық орташасының психометриялық функциясы көбінесе тұрақты, қайталанатын көрсеткіші бар қуат заңы болып табылады. Контексттер заң мен көрсеткішті өзгерте алғанымен, бұл өзгеріс те тұрақты және қайталанады. Сандардың орнына басқа сенсорлық немесе когнитивтік өлшемдерді ынталандырумен сәйкестендіруге болады, сонда әдіс "көлемді өндіру" немесе "көп түрлі модальды сәйкестендіру" болады. Сандық шаманы бағалауда анықталған өлшемдердің көрсеткіштері көлемді өндіруде анықталған көрсеткіштерді болжайды. Көлемді бағалау, әдетте, психофизикалық функция үшін көп санатты жауаптарға қарағанда төмен көрсеткіштерді анықтайды, себебі категориялық белгілердің шектеулі диапазоны бар, мысалы, Ликерт көзқарастық шкалалардағы элементтер ретінде қолданылатындары.