Психофизика: связь физических стимулов и восприятия.

Введение

Психофизика – это область знаний, связывающая физические стимулы и психологическое восприятие. Психофизика количественно изучает взаимосвязь между физическими стимулами и вызываемыми ими ощущениями и восприятием. Психофизику определяют как «научное исследование связи между стимулом и ощущением» или, более полно, как «анализ процессов восприятия посредством изучения влияния систематического изменения свойств стимула по одному или нескольким физическим параметрам на опыт или поведение испытуемого». Психофизика также представляет собой общий класс методов, которые могут применяться для изучения системы восприятия. Современные приложения в значительной степени опираются на измерение порогов чувствительности, анализ идеального наблюдателя и теорию обнаружения сигналов. Психофизика имеет широкое и важное практическое применение. Например, в области цифровой обработки сигналов, идеи, полученные в психофизике, послужили основой для разработки моделей и методов сжатия с потерями. Эти модели помогают объяснить, почему люди обычно не замечают значительной потери качества при сжатии аудио- и видеосигналов с использованием методов с потерями.

История

Многие классические методы и теории психофизики были сформулированы в 1860 году, когда Густав Теодор Фехнер в Лейпциге опубликовал Elemente der Psychophysik (Элементы психофизики). Он ввел термин "психофизика", описывая исследования, направленные на установление связи между физическими стимулами и содержанием сознания, таким как ощущения (Empfindungen). Как физик и философ, Фехнер стремился разработать метод, связывающий материю и разум, соединяя объективно наблюдаемый мир и субъективное восприятие человека. Его идеи были вдохновлены экспериментальными результатами, полученными немецким физиологом Эрнстом Генрихом Вебером в Лейпциге в начале 1830-х годов, касающимися ощущений осязания и света, в частности, минимально различимой разницы в интенсивности стимулов умеренной силы (только заметная разница; jnd), которую Вебер показал как постоянную долю от референтной интенсивности, и которую Фехнер назвал законом Вебера. На основе этого Фехнер вывел свою хорошо известную логарифмическую шкалу, ныне известную как шкала Фехнера. Работы Вебера и Фехнера заложили одну из основ психологии как науки, а Вильгельм Вундт основал первую лабораторию психологических исследований в Лейпциге (Institut für experimentelle Psychologie). Работа Фехнера систематизировала интроспекционистский подход (психология как наука о сознании), который должен был конкурировать с бихевиористским подходом, в котором даже вербальные реакции рассматриваются как физические, как и сами стимулы. Работы Фехнера изучались и развивались Чарльзом С. Пирсом, которому помогал его ученик Джозеф Джастроу, вскоре ставший выдающимся экспериментальным психологом. Пирс и Джастроу в значительной степени подтвердили эмпирические выводы Фехнера, но не все. В частности, классический эксперимент Пирса и Джастроу опроверг оценку Фехнера порога восприятия веса. В своем эксперименте Пирс и Джастроу фактически изобрели рандомизированные эксперименты: они случайным образом распределяли добровольцев по группам в слепом, повторном измерении, чтобы оценить их способность различать веса. На основе полученных результатов они утверждали, что лежащие в основе функции непрерывны и что не существует порога, ниже которого разница в физической величине оставалась бы незамеченной. Эксперимент Пирса вдохновил других исследователей в области психологии и образования, которые в 1900-х годах развили традицию проведения рандомизированных экспериментов в лабораториях и специализированных учебниках. Джастроу написал следующее резюме: "Курсы мистера Пирса по логике дали мне мой первый реальный опыт интеллектуальной работы. Хотя я быстро включился в работу психологической лаборатории, созданной Стэнли Холлом, именно Пирс дал мне первое обучение в решении психологической проблемы и одновременно укрепил мою самооценку, доверив мне, тогда еще не имевшему лабораторного опыта, реальную исследовательскую задачу. Он одолжил мне необходимое оборудование, которое я взял к себе в комнату, установил у окна и с помощью которого, при правильных условиях освещения, проводил наблюдения. Результаты были опубликованы под нашими совместными именами в "Трудах Национальной Академии Наук". Само по себе постоянным мотивом, побудившим меня спустя годы взяться за книгу о бессознательном, могла стать демонстрация того, что следы сенсорного воздействия, слишком слабые, чтобы зафиксироваться в сознании, тем не менее могут влиять на суждение". Эта работа четко разграничивает наблюдаемые когнитивные характеристики и выражение сознания. Современные подходы к сенсорному восприятию, такие как исследования зрения, слуха или осязания, измеряют то, что суждение воспринимающего извлекает из стимула, часто откладывая вопрос о том, какие ощущения испытываются. Один из ведущих методов основан на теории обнаружения сигнала, разработанной для случаев очень слабых стимулов. Однако субъективистский подход сохраняется среди тех, кто придерживается традиций Стэнли Смита Стивенса (1906–1973). Стивенс возродил идею степенного закона, предложенную исследователями XIX века, в отличие от логарифмической функции Фехнера (см. степенной закон Стивенса). Он также выступал за присвоение чисел, пропорциональных силе стимулов, что называется оценкой величины. Стивенс добавил такие методы, как производство величины и межмодальное сопоставление. Он возражал против присвоения силы стимула точкам на линии, помеченным в порядке силы. Тем не менее, такой подход остается популярным в прикладной психофизике. Такие многокатегорийные шкалы часто ошибочно называют шкалами Ликерта, по аналогии с вопросами, используемыми Ликертом для создания многопунктовых психометрических шкал, например, семибалльной шкалы от "полностью согласен" до "полностью не согласен". Омар Халифа утверждал, что средневековый ученый Альхазен должен считаться основателем психофизики. Хотя аль-Хайсам сделал много субъективных отчетов о зрении, нет никаких доказательств того, что он использовал количественные психофизические методы, и подобные утверждения были отвергнуты.

Many of the classical techniques and theories of psychophysics were formulated in 1860 when Gustav Theodor Fechner in Leipzig published Elemente der Psychophysik (Elements of Psychophysics). He coined the term "psychophysics", describing research intended to relate physical stimuli to the contents of consciousness such as sensations (Empfindungen). As a physicist and philosopher, Fechner aimed at developing a method that relates matter to the mind, connecting the publicly observable world and a person's privately experienced impression of it. His ideas were inspired by experimental results on the sense of touch and light obtained in the early 1830s by the German physiologist Ernst Heinrich Weber in Leipzig, most notably those on the minimum discernible difference in intensity of stimuli of moderate strength (just noticeable difference; jnd) which Weber had shown to be a constant fraction of the reference intensity, and which Fechner referred to as Weber's law. From this, Fechner derived his well known logarithmic scale, now known as Fechner scale. Weber's and Fechner's work formed one of the bases of psychology as a science, with Wilhelm Wundt founding the first laboratory for psychological research in Leipzig (Institut für experimentelle Psychologie). Fechner's work systematised the introspectionist approach (psychology as the science of consciousness), that had to contend with the Behaviorist approach in which even verbal responses are as physical as the stimuli. Fechner's work was studied and extended by Charles S. Peirce, who was aided by his student Joseph Jastrow, who soon became a distinguished experimental psychologist in his own right. Peirce and Jastrow largely confirmed Fechner's empirical findings, but not all. In particular, a classic experiment of Peirce and Jastrow rejected Fechner's estimation of a threshold of perception of weights. In their experiment, Peirce and Jastrow in fact invented randomized experiments: They randomly assigned volunteers to a blinded, repeated measures design to evaluate their ability to discriminate weights. On the basis of their results they argued that the underlying functions were continuous, and that there is no threshold below which a difference in physical magnitude would be undetected. Peirce's experiment inspired other researchers in psychology and education, which developed a research tradition of randomized experiments in laboratories and specialized textbooks in the 1900s. Jastrow wrote the following summary: "Mr. Peirce’s courses in logic gave me my first real experience of intellectual muscle. Though I promptly took to the laboratory of psychology when that was established by Stanley Hall, it was Peirce who gave me my first training in the handling of a psychological problem, and at the same time stimulated my self esteem by entrusting me, then fairly innocent of any laboratory habits, with a real bit of research. He borrowed the apparatus for me, which I took to my room, installed at my window, and with which, when conditions of illumination were right, I took the observations. The results were published over our joint names in the Proceedings of the National Academy of Sciences. The demonstration that traces of sensory effect too slight to make any registry in consciousness could none the less influence judgment, may itself have been a persistent motive that induced me years later to undertake a book on The Subconscious." This work clearly distinguishes observable cognitive performance from the expression of consciousness. Modern approaches to sensory perception, such as research on vision, hearing, or touch, measure what the perceiver's judgment extracts from the stimulus, often putting aside the question what sensations are being experienced. One leading method is based on signal detection theory, developed for cases of very weak stimuli. However, the subjectivist approach persists among those in the tradition of Stanley Smith Stevens (1906–1973). Stevens revived the idea of a power law suggested by 19th century researchers, in contrast with Fechner's log linear function (cf. Stevens' power law). He also advocated the assignment of numbers in ratio to the strengths of stimuli, called magnitude estimation. Stevens added techniques such as magnitude production and cross modality matching. He opposed the assignment of stimulus strengths to points on a line that are labeled in
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.

Пороговые значения

Психофизики обычно используют экспериментальные стимулы, которые можно объективно измерить, такие как чистые тоны, изменяющиеся по интенсивности, или источники света, изменяющиеся по яркости. Изучены все основные органы чувств: зрение, слух, осязание (включая восприятие кожей и внутренними органами), вкус, обоняние и чувство времени. Независимо от сенсорной модальности, выделяют три основных направления исследований: абсолютные пороги, пороговые различимости и шкалирование. Порог (или лимен) – это точка интенсивности, при которой испытуемый едва способен обнаружить наличие стимула (абсолютный порог) или разницу между двумя стимулами (пороговое различие). Например, рассмотрим абсолютный порог тактильной чувствительности на тыльной стороне руки. Испытуемый может не почувствовать прикосновение одного волоса, но может ощутить прикосновение двух или трех, поскольку это превышает порог. Абсолютный порог также часто называют порогом обнаружения. Для измерения абсолютных порогов используются различные методы, схожие с теми, что применяются для определения пороговых различимостей (см. ниже).

Дискриминация

Порог различимости (или просто заметная разница, JND) – это величина наименьшей разницы между двумя стимулами различной интенсивности, которую испытуемый способен обнаружить в определенной доле случаев, причём конкретный процент зависит от поставленной задачи. Для определения этого порога используются различные методы. Например, испытуемого могут попросить отрегулировать один стимул до тех пор, пока он не будет воспринят как идентичный другому (метод настройки), описать направление и величину разницы между двумя стимулами или определить, одинаковы ли интенсивности в паре стимулов или различны (метод вынужденного выбора). Просто заметная разница не является постоянной величиной; она изменяется в зависимости от интенсивности стимулов и конкретного органа чувств, который тестируется. Согласно закону Вебера, просто заметная разница для любого стимула представляет собой постоянную пропорцию, независимо от изменений интенсивности. В экспериментах по дискриминации экспериментатор стремится установить, при каком различии между двумя стимулами, например, двумя весами или двумя звуками, это различие становится обнаружимым. Испытуемому предъявляется один стимул, например, вес, и его просят указать, тяжелее или легче другой вес. В некоторых экспериментах испытуемый может также указать, что оба веса одинаковы. В точке субъективного равенства (PSE) испытуемый воспринимает оба веса как идентичные. Просто заметная разница, или порог различимости (DL), – это величина разницы в стимулах, которую испытуемый замечает в определённой доле случаев p; обычно для p в задаче сравнения используется значение 50%. Кроме того, используется парадигма двух альтернативных вынужденных выборов (2AFC) для оценки точки, в которой эффективность снижается до уровня случайности при различении двух альтернатив; здесь p обычно составляет 75%, поскольку 50% успешных ответов соответствуют случайному выбору в задаче 2AFC. Абсолютные и пороговые различимости иногда рассматриваются как схожие по принципу, поскольку фоновый шум всегда затрудняет обнаружение стимулов.

A difference threshold (or just noticeable difference, JND) is the magnitude of the smallest difference between two stimuli of differing intensities that a participant can detect a certain proportion of the time, with the specific percentage depending on the task. Several methods are employed to test this threshold. For instance, the subject may be asked to adjust one stimulus until it is perceived as identical to another (method of adjustment), to describe the direction and magnitude of the difference between two stimuli, or to decide whether the intensities in a pair of stimuli are the same or different (forced choice). The just noticeable difference is not a fixed quantity; rather, it varies depending on the intensity of the stimuli and the specific sense being tested. According to Weber's Law, the just noticeable difference for any stimulus is a constant proportion, regardless of variations in intensity. In discrimination experiments, the experimenter seeks to determine at what point the difference between two stimuli, such as two weights or two sounds, becomes detectable. The subject is presented with one stimulus, for example, a weight, and is asked to say whether another weight is heavier or lighter. In some experiments, the subject may also indicate that the two weights are the same. At the point of subjective equality (PSE), the subject perceives both weights as identical. The just noticeable difference, or difference limen (DL), is the magnitude of the difference in stimuli that the subject notices some proportion p of the time; typically, 50% is used for p in the comparison task. Additionally, the two alternative forced choice (2AFC) paradigm is used to assess the point at which performance reduces to chance in discriminating between two alternatives; here, p is typically 75%, as a 50% success rate corresponds to chance in the 2AFC task. Absolute and difference thresholds are sometimes considered similar in principle because background noise always interferes with our ability to detect stimuli.

Эксперименты

В психофизике эксперименты призваны установить, способен ли испытуемый обнаружить стимул, идентифицировать его, различать его с другим стимулом, или описать величину или природу этого различия.

Классические психофизические методы

В психофизических экспериментах традиционно используются три метода для оценки восприятия испытуемых в экспериментах по обнаружению стимулов и различению стимулов: метод пределов, метод постоянных стимулов и метод настройки.

Метод ограничений

В методе восходящих пределов некоторое свойство стимула начинается с уровня, настолько низкого, что стимул не может быть обнаружен, после чего этот уровень постепенно увеличивается, пока испытуемый не сообщит о его восприятии. Например, если эксперимент направлен на определение минимальной амплитуды звука, которую можно обнаружить, звук начинается с такой тихой громкости, что его не слышно, и постепенно становится громче. В методе нисходящих пределов процесс обратный. В каждом случае порог определяется как уровень свойства стимула, при котором стимул едва обнаруживается. Этот метод обеспечивает полное картирование психометрической функции, но может потребовать большого количества попыток при чередовании нескольких условий.

Метод корректировки

В методе настройки испытуемого просят контролировать уровень стимула и изменять его до тех пор, пока он едва становится различимым на фоне шума или не совпадает по уровню с другим стимулом. Настройка повторяется многократно. Этот метод также называют методом средней ошибки. Практические примеры можно найти здесь. Один из наиболее распространенных вариантов построения лестницы (с фиксированным размером шага) – это лестница "1 вверх, N вниз". Если испытуемый N раз подряд дает правильный ответ, интенсивность стимула уменьшается на один шаг. Если испытуемый дает неправильный ответ, интенсивность стимула увеличивается на один шаг. Порог определяется как средняя точка всех серий измерений. Эта оценка асимптотически приближается к истинному порогу.

Байесовские и максимально вероятные процедуры

Адаптивные процедуры, основанные на максимальном правдоподобии (ML) и байесовские процедуры, с точки зрения наблюдателя ведут себя схоже со ступенчатыми процедурами. Однако, выбор следующего уровня интенсивности происходит иначе: после каждого ответа наблюдателя, на основе текущей и всех предыдущих пар стимул/ответ, вычисляется функция правдоподобия местоположения порога. Точка максимума правдоподобия принимается за наилучшую оценку порога, и следующий стимул предъявляется на этом уровне (так как решение на этом уровне предоставит наибольшее количество информации). В байесовской процедуре в вычисление дополнительно включается априорное правдоподобие. ML PEST и метод Концевича и Тайлера.

Оценка величины

В типичном случае испытуемым предлагается присваивать числа пропорционально интенсивности стимула. Эта психометрическая функция, основанная на геометрических средних присвоенных чисел, часто описывается степенным законом со стабильным и воспроизводимым показателем степени. Хотя контекст может изменять этот закон и показатель, само изменение также стабильно и воспроизводимо. Вместо чисел для сопоставления со стимулом могут использоваться другие сенсорные или когнитивные измерения, в этом случае метод называется "воспроизведением величины" или "кросс-модальным соответствием". Показатели степени, полученные для этих измерений в методе численной оценки величины, предсказывают показатели степени, полученные в методе воспроизведения величины. Численная оценка величины обычно дает более низкие показатели степени для психофизической функции, чем метод множественных категорий, из-за ограниченного диапазона категориальных опор, таких как те, что используются Ликертом в качестве пунктов в шкалах отношения.