(精品)信号检测

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1、信号检测论信号检测论实验报告摘 要：本实验通过信息检测论在变化觉察范式中的应用，计算不同记忆集条件下的被试的辨别力指数（d）、反应倾向（）、判别标准（C）和反应时，从而了解变化觉察范式的特点，同时进一步探讨视觉工作记忆的特点及其容量的影响因素。关 键 词：信号检测论 变化觉察范式 视觉工作记忆91 引言1.1 信号检测理论 信号检测论是信息论的一个重要分支，最初是信息论在通讯工程中的应用成果，专门处理噪音背景下对信号的有效分离，解决信号在传输过程中的随机性问题。信号检测论是以概率论和数理统计为理论基础的，根据概率论与数理统计中的参数估计、统计分布理论、随机现象的统计判断等理论，对信号和噪音进行

2、准确地识别与判断。20 世纪50 年代，由于现代数学的发展，建立起了比较系统、完善的信号检测论，并广泛应用于军事、通讯、地质、物理、电子、天文与宇宙学等领域。1954 年，美国密西根大学的心理学家坦纳（W. P. Tanner）和斯韦茨（J. A. Swets）等人最早在心理学研究中把信号检测论应用于人的感知过程，使得心理物理法发展到一个新的阶段。信号检测论假定，噪音总是存在于系统之中，无法消除无论这个系统是一个收音机，还是人的神经系统。因此，被试接受到刺激可能有两种条件：（1）仅仅是噪音背景（以N 表示）；（2）在噪音背景上叠加了信号（以SN 表示）。信号伴随噪音和单独出现噪音这两种情况下，

3、分别可以在心理感受量值上形成两个分布：信号加噪音分（简称信号分布）和噪音分布。由于信号总是叠加在噪音背景之上，因此总体上信号分布总是比噪音分布的心理感受更强些。图 1 显示了三种不同信号强度下的噪音和信号加噪音的理论分布。由此可见，信号分布与噪音分布必然存在一定的重合，而被试要判断一个刺激是信号还是噪音时，是根据自己的主观感受进行判，即存在一个主观的判断标准C，当刺激强度大于C，即判断为有信号，反之则判断为无信号。 图1 三种不同信号强度下的噪音和信号加噪音的理论分布 在信号检测理论中，被试对有无信号的判定，可以有四种结果，这四种结果正好构成二择一的判别矩阵（参见表1）：（1）击中。当信号（S

4、N）出现，被试报告“有”，此时为击中（Hit），用P(H)代表。（2）虚惊。当只有噪音（N）出现，被试报告“有”，此时为虚惊（False Alarm），用P(FA)代表。（3）漏报。当信号（SN）出现，被试报告“无”，此时为漏报（Miss），用P(M)代表。（4）正确拒斥。当只有噪音（N）出现，被试报告“无”，此时为正确拒斥（CorrectRejection），用P(CR)代表。由上述定义可知，P(H)P(M)1，P(FA)P(CR)1。表1 信息检测二择一判别矩阵1.2 信号检测论的三个质量指标（1）反应倾向反应倾向（response bias）通常用似然比值（likelihood rati

5、o）来反映，用表示，是指信号加噪音引起的特定感觉的条件概率与噪音引起的条件概率的比值，其数学定义为给定XC 水平上信号分布的纵坐标与噪音分布的纵坐标之比。其计算方法是将击中率P(H)和虚惊率P(FA)转换为Z分数ZSN 和ZN，再将Z分数转换为正态分布曲线上的概率密度值OSN和ON（可通过查阅PZO转换表来完成），的计算公式为： 通过值可以解释被试对刺激进行判断时所持标准的严格性，值越大（1），被试采用的标准XC 越严格（XC 右移，击中率和虚惊率均下降，而漏报率和正确拒斥率均上升）； 值越小（1），被试的判断标准XC 就越宽松（XC 左移，击中率和虚惊率都会上升，而漏报率和正确拒斥率下降）。

6、（2）反应敏感性信号检测论的最主要贡献是在反应偏向与反应敏感性之间做出了区分。敏感性是指内部噪音分布fN(X)与信号加噪音的分布fSN(X)之间的分离程度。两者分离程度越大，敏感性越高；反之，敏感性越低。该指标既受信号的物理性质影响，也受被试特性的影响。可以用fN(X)与fSN(X)之间的距离作为敏感性指标，称为辨别力指数d，d等于两个分布的均数之差除以噪音分布的标准差，由于N分布和SN分布的形态相同，因此有：（3）判别标准 判别标准（judgment criterion）是指判断分界点上的感受经验强度，即横轴上的判定标准坐标，用C 表示。在数学上，C 的单位要转换为刺激强度单位，其计算公式是

7、： 式中，I2 为高强度刺激（SN）的强度值，I1 为低强度刺激（N）的强度值，d为被试的感受性，Z1 为低强度刺激（N）的正确拒斥概率。判断标准C 的数值越大，被试的判断标准就越严格，数值越小，判断标准越宽松。1.3 视觉工作记忆 视觉工作记忆是工作记忆的一个子系统。工作记忆这一概念最早由Miller（1960）等人提出，其目的是将工作记忆与短时记忆区分开来，短时记忆强调的只是信息的短时存储，而工作记忆则更加强调记忆系统的功能，即用来支持复杂的认知活动、心理操作以及形成连贯的思维。随后研究者提出了多种关于工作记忆的理论模型，其中影响力最大的当属Baddeley 和Hitch 等人(Allen

8、, Hitch, & Baddeley, 2009)提出的工作记忆的多成分模型(Multiple component model of working memory)。最早的多成分模型包括语音回路（Phonological loop）、视觉空间画板（Visuospatial sketch pad）和中央执行器（Centralexecutive）三个成分。后来，又增加了一个情景缓冲器（Episodic buffer）。具体参见图2。其中，语音回路专门用来保持基于声音或言语的信息，视觉空间画板用于保持以视觉或空间形式编码的信息，而情景缓冲器则是一个容量有限的子系统，可以存储多维编码的信息，因而能够

9、将来自工作记忆各个子系统、知觉和长时记忆的信息整合为统一的表征，最后，整个系统由中央执行器控制，中央执行器是一个受注意资源限制的系统，它负责选择和操作子系统中所保持的材料。图 2视觉工作记忆的多成分模型 最早的工作记忆研究大多使用回忆范式，即给被试呈现一系列的刺激，然后要求被试依次将项目报告出来，以正确报告的项目数作为工作记忆容量。然而，这种回忆范式难以排除语音编码的影响，其测得的容量可能不是纯的视觉工作记忆容量，而是包含了语音回路协同操作的结果。为了排除语音编码的干扰，Phillips（1974）发展了一种新的范式让被试比较前后两帧画面是否发生变化。而后，Luck 和Vogel 等人在此基础

10、上进行了改进，提出了现在被普遍认可的研究视觉工作记忆的范式之一变化觉察范式(Luck & Vogel, 1997; Vogel, Woodman, & Luck, 2001)。范式流程参见图3。典型的变化觉察范式一般包括三个阶段：（1）编码阶段：短暂呈现若干记忆项（memory array 或sample array）；（2）保持阶段：记忆项消失，出现空屏或掩蔽，持续至少300 毫秒，以此将瞬时记忆与视觉工作记忆区分开；（3）检测阶段：出现若干检测项（probe array）。被试的任务是保持记忆项的信息，并判断检测项与记忆项相比是否发生了变化。图 3变化觉察范式示意图 Luck 和Vogel

11、 等人最早使用变化觉察范式对视觉工作记忆容量进行了探讨，结果发现，当记忆13 个由简单特征（如颜色）构成的客体时，记忆绩效均接近天花板水平，而当客体个数增加至4 个或更多时，记忆绩效开始随客体个数的增加而降低。更为重要的是，即便当每个客体中的特征数增加至两个或四个时（如包含颜色、大小、朝向、缺口），记忆绩效仍然同记忆单特征一样。由此，Luck 和Vogel 等人推论，视觉工作记忆的存储容量约为34 个客体，而与每个客体包含的信息量无关(Luck & Vogel,1997)。Pashler(Pashler, 1988)提出了根据记忆集大小S、被试的击中率P(H)和虚惊率P(FA)计算被试视觉工作

12、记忆容量的方法： 本实验旨在掌握信号检测论在变化觉察范式中的应用，并了解变化觉察范式的特点，同时进一步探讨视觉工作记忆的特点及其容量的影响因素。2 实验方法2.1 被试被试为浙江大学本科学生32名，其中男生16名，女生16名，年龄范围岁，平均年龄岁。2.2 仪器与材料 IBM-PC 计算机一台，认知心理学教学管理系统。本实验呈现的刺激材料是各种颜色的基本形状。基本形状有圆形、三角形、正方形、菱形、扇形、椭圆形和梯形共7种；颜色则有红色、绿色、蓝色、黄色、青色、粉色和白色共7 种。刺激材料的大小为1.8cm1.8cm。 2.3 实验设计与流程 本实验采用三因素被试内设计。因素一为识记项目数（记忆

13、集），该因素有5 个水平，分别为：2 个、3 个、4 个、5 个和6 个；因素二为形状变化，该因素有2 个水平，分别为：变化和不变；因素三为颜色变化，该因素也有2 个水平，分别为：变化和不变。 单次试验流程见图4。首先，在屏幕中央一个“”注视点。5001000 毫秒后，注视点消失，而后呈现26 个不同的形状（记忆项），各个形状均匀地分布在一个虚拟的圆周上，这些形状的颜色亦各不相同，500 毫秒后消失，空屏1000 毫秒，而后在随机其中一个位置上再次呈现一个形状（检测项）。 被试的任务是尽可能多地记住这些形状，并判断对应位置上的检测项与记忆项的形状是否相同（概率各0.5），同时忽略检测项颜色可能

14、发生的变化，并立即做出按键反应。如果形状相同按“J”键；形状不同按“F”键。为了减少被试按键过程中的反应定势，生成的实验序列经Wald-Wolfowitz 游程检验，显著性大于0.10（双侧）。 被试做出按键后，会得到相应的反馈，指示被试反应正确与否及反应时。如果被试在字符出现后3000 毫秒内不予以反应，程序将提示反应超时，告诉被试尽快反应。随机空屏6001300 毫秒后，自动进入下一次试验。实验开始前，从正式实验中随机抽取20 次作为练习，练习的时候，无论反应正确、错误或超时均有反馈，但结果不予以记录。练习的正确率达到70%后进入正式实验。正式实验在被试做出正确反应后没有提示，反应错误或反

15、应超时则会有提示。正式实验共有388 次试验，分4 组（每组97 次），组与组之间分别有一段休息时间。正式实验结束后，进入错误补救程序，即将之前做错的试验再次呈现，直到被试全部反应正确为止。整个实验持续约50 分钟。图4 信号检测实验流程图3 结果分析1 分别计算不同记忆集条件下的被试的辨别力指数（d）、反应倾向（）、判别标准（C）和反应时，并绘制柱形图。表2 不同记忆集条件下的被试d、C和反应时统计表记忆集/个反应倾向辨别力指数d判别标准C反应时2 1.00 3.13 0.50 620.4880.033 1.30 2.58 0.54 659.3090.054 1.00 1.79 0.50 6

16、82.3396.505 0.95 1.31 0.47 694.5398.80 6 0.88 0.99 0.37 712.55109.15图5 不同记忆集条件下的被试d柱形图图6 不同记忆集条件下的被试柱形图图7 不同记忆集条件下的被试C柱形图图8 不同记忆集条件下的被试反应时柱形图2 分别计算不同记忆集条件下颜色变化和不变条件下的辨别力指数（d）、反应倾向（）和判别标准（C）表3 不同记忆集条件下颜色变化和不变条件下的辨别力指数（d）、反应倾向（）和判别标准（C）统计表记忆集/个颜色改变颜色不改变反应倾向辨别力指数d判别标准C反应倾向辨别力指数d判别标准C2.00 0.81 3.01 0.48

17、 1.34 3.29 0.53 3.00 0.70 2.60 0.45 2.72 2.73 0.63 4.00 0.82 1.77 0.44 1.22 1.83 0.56 5.00 0.84 1.26 0.39 1.09 1.37 0.55 6.00 0.79 0.99 0.26 0.97 1.00 0.47 3. 以虚惊率P(FA)为横坐标，击中率P(H)为纵坐标，分别绘制不同记忆集条件下颜色变化和不变对应ROC（操作者特性曲线）曲线。图9 2个记忆集下的ROC曲线图10 3个记忆集下的ROC曲线图11 4个记忆集下的ROC曲线图12 5个记忆集下的ROC曲线图13 6个记忆集下的ROC曲线

18、4. 分别计算被试（男、女）在颜色变化和不变条件下形状的视觉工作记忆容量。记忆集个数女男颜色改变颜色不改变颜色改变颜色不改变21.90 1.85 1.85 1.90 32.73 2.40 2.75 2.61 43.17 2.98 3.19 3.04 53.57 3.33 3.23 3.20 63.83 3.24 3.50 3.49 表4 不同性别被试在颜色变化和不变条件下形状的视觉工作记忆容量表4 讨论 1 对比不同记忆集条件下颜色变化和不变条件下的正确率、反应时、辨别力指数（d）、反应倾向（）和判别标准（C），可以发现什么现象（提示：无关变化干扰效应2）？被试在实验过程中，被要求只记忆形状变

19、化而忽略颜色变化，但是从表3我们可以发现，颜色是否变化对被试的正确率、反应时、辨别力指数（d）、反应倾向（）和判别标准（C）是有影响的。在同一记忆集下，被试在颜色不变情况下的击中率、虚惊率、辨别力指数（d）、反应倾向（）和判别标准（C）均大于颜色变化的情况。即目标物颜色改变会使被试更倾向于报告改变，同时颜色的改变会干扰被试，是他的辨别力降低。表5 不同记忆集下颜色变化和不变条件下反应时 记忆集颜色改变颜色不变2626.94 614.02 3666.67 651.94 4684.76 679.90 5699.06 689.99 6716.05 709.05 由表5，不同记忆集条件下颜色变化和不变

20、条件下的,反应时是不同的，在同一记忆集条件下，被试在颜色变化的情况下的反应时要略小于颜色不变的情况。 可见无关维度的变化是会影响被试的反应。2 对比不同记忆集条件下颜色变化和不变条件下对应ROC 曲线，可以发现什么现象？ 观察ROC曲线，可以发现，在同一记忆集条件下，在颜色变化下，被试的击中率和虚惊率都会更大，表明被试的判断标准在放宽，暗示被试更倾向于做出变化的判定，颜色的变化虽然是无关维度，但还是会影响被试的反应。3 信号检测论与传统心理物理法有何区别和联系？（结合补充阅读材料）传统心理物理学认为被试对刺激侦测到（报告“有”）的概率P(y)是所呈现的物理刺激强度的函数，并且仅仅是物理刺激强度

21、的函数。但是现代心理物理学实验恰恰证明了P(y)确实不像早期心理物理学家所假定的那样，仅仅受到物理刺激强度的影响。即使是训练有素的被试，各种非感觉因素也会干扰其在实验中的报告，产生不同的P(y)值。而这些影响P(y)的非感觉因素之一就是刺激出现概率P(s)。1971年格希德等人对指尖振动刺激的绝对阈限测定实验可以说明这个问题。阈限不变的观点就是传统心理物理法和信号检测论的最大区别。对于各种非感觉因素会让被试产生不同的反应偏差从而影响P(y)的结果，早期的心理物理学家非常清楚。他们甚至已经发展出一种技术来克服被试的反应偏差。有趣的是，由于这种技术基于传统心理物理学对阈限的理解，因此它还间接提供了

22、通过实验检验传统心理物理学的阈限概念是否合理的方法。实验中直接得到的P(y)，其实包括了被试真正感觉到的那部分回答和被试猜测的回答。而传统心理物理学真正关心的，是感觉阈限之上的那些刺激能产生多大概率的正向反应，这个概率不妨标记为P*(hit)，代表修正的击中率。P（hit）=P*(hit)+P(fa)1-P*(hit) 如果感觉阈限是一个不变的值，即P*(hit)也应该是一个固定值。而将上述公式中的P*(hit)替换成常数项，可知P(hit)与P(fa)呈线性关系。但是，事实上，P(hit)和P(fa)并不是如传统心理物理学预测的线性关系，而是一条减速曲线。从传统心理物理学的阈限理解出发进行推

23、导，终于用传统心理物理学自己的实验观察结果反证了最初前提假设的错误，为现代心理物理学信号检测论的基本思想打开了道路。可能也正是受此启发，坦纳和斯韦茨（Tanner & Swets，1954）等人第一次将信号检测论引入对感觉系统的研究上来。4信号检测论在心理学研究中有哪些应用？（结合补充阅读材料）作为一种新的心理物理学方法，信号检测论已逐步被应用于各种心理学实验。在工程心理学领域，信号检测论不仅使我们弄清了警戒下降的原因，而且也使我们找到了防止警戒下降的某些方法。主要有三种：1. 警戒下降课单纯地是由反应标准的提高引起的，表现为操作者报告某个刺激是否为信号变得越来越慎重。2. 警戒下降也可单纯地

24、由感觉敏感性的下降而引起。这种下降具体表现为操作者愈来愈不能把信号从噪音中分辨出来。3. 警戒下降还可由感觉敏感性和反应指标的双重变化引起。 在认知心理学领域：首先以信号检测论在再认记忆上的应用为例。再认记忆中的问题可以这样表述：某事物被再认的条件究竟是什么，是其强度必须超过某一个阈限时，则在此阈限下的记忆强度便为0，还是其强度要超过记忆强度连续体上的某一个标准？按照再认记忆的信号检测论假设，新旧项目在记忆强度的连续体上形成两个互相重叠的正态分布。通过在不同的试验中诱导被试变化判断标准，可以得到对应的不同的击中率和虚惊率，并可以根据它们描出类似于ROC曲线的图样，称为MOC（记忆操作特征）曲线

25、。假如信号检测论假设是正确的，那么MOC在以比率为坐标时应该是曲线，而在以Z分数为坐标时呈现为直线。而在再认记忆的非连续模型中，假定存在一个记忆强度的阈限，阈上项目总有再认反应，而阈下项目只有靠猜测才出现再认。按照这个模型，MOC在以比率为坐标时应当是直线。最后，实验结果显示MOC形态符合再认记忆的信号检测论假设，因此信号检测论的解释胜出。信号检测论对再认记忆的良好解释使得此领域中的研究方法有了重大进展。运用信号检测论，可以验证各种影响再认记忆的已知因素，诸如年龄、脑损伤、药物等，究竟影响了人们对新旧事物进行分辨的能力，还是改变了人们判断新旧的标准。例如，在具体的应用性研究中发现，大麻能够同时

26、降低再认记忆的分辨力和再认记忆的判断标准，说明此类药物对于记忆有着确实的损害。 另一个例子是，在临床上抑郁症和老年痴呆患者都会表现出记忆力的衰退。当某个病患表现出记忆衰退的症状，如何诊断其究竟是抑郁症患者还是智力减退呢？运用信号检测论的研究发现，抑郁和痴呆对再认记忆产生影响的方式是不同的。抑郁能够使再认记忆的判断标准升高，这可能是因为抑郁症患者伴随有严重的自信缺乏，因此他们在作出判断时显得过度保守。而老年痴呆患者则是在新旧项目的分辨力上明显低于对照组，由此可见老年痴呆患者有着确实的记忆损伤。信号检测论区分了以上两种疾患对再认记忆产生的影响，从而有可能发展出一种基于再认记忆表现中两个信号检测论指

27、标的诊断方法，从而使抑郁症和老年痴呆的辨别精度提高。另外，有研究运用信号检测论方法发现，头部外伤引起的脑损伤者在再认记忆中同时具有较低的辨别力和较高的判断标准。研究者对此的解释是：脑损伤会导致记忆功能的衰退，而同时由于患者本身意识到自己在记忆方面的缺陷，他们在判断时会更加谨慎。 除了上述理论或临床研究，信号检测论对高级认知过程研究的帮助还体现在社会认知方面的应用上。对于攻击行为（aggressive behavior）的研究就是一例。从信号检测论的视角，研究者首先对攻击行为进行了诠释。在某些场合的身体攻击是恰当的，比如正当自卫或者拳击比赛；而另一些场合下则是不恰当的，比如寻衅滋事。而一般所说的

28、攻击行为其实专指后者这种“不恰当的攻击”。身体攻击和场合情境就可以形成22的矩阵：恰当的攻击、不恰当的攻击、恰当的不攻击、不恰当的不攻击。如果把应该产生攻击的情境作为信号，而不应该攻击的情境当做噪音，并将最终事实上攻击与否的行为作为判断反应，就可以套用信号检测论求出两个独立指标了。来看实际研究成果：乌列赫拉和亚当斯（Ulehla & Adams，1973）对青少年被试进行了问卷调查，问卷中虚拟了许多情境下的攻击行为，其中一些是恰当的（例如反抗敲诈勒索者），而另一些是不恰当的（例如把一个不顺眼的小子揍一顿）。被试要依次回答在问卷中虚拟的这些攻击行为是否能得到积极的社会评价。研究者进行了信号检测论

29、的分析，他们感兴趣的指标是d。实验结果发现，自身攻击性越高的青少年，在问卷中显示出的d越低；而教养良好的青少年，其d都很高。由此直接得出的推论是，青少年的攻击行为，很可能是由于这些青少年不能很好地分辨恰当攻击和不恰当攻击之间的区别，换言之，他们不懂得在合适的场合作合适的反应。因此，信号检测论揭示了攻击行为可能的认知基础对社会常态规范的理解出现了问题。 综上所述，信号检测论对传统阈限概念的批评，来源于传统方法在阈限测量中无法有效排除众多非感觉因素的影响，因而废除了费希纳传统中的阈限思想，用主观决策标准加以取代。但不可否认的是，人类的感觉系统就其本身而言很可能存在着灵敏性的绝对限制正如所有精密传感

30、器那样，确实无法有效分辨低于某个强度水平的刺激。阈限理论和信号检测论都反映了感觉过程的某些方面，将两者整合之后，或可得到更全面的图景：感觉系统对刺激的有效分辨从某一强度开始，这一强度就是阈限；同时对于阈限以上强度的刺激，感觉报告将取决于感觉强度与某一主观决策标准相比较的结果，因而费希纳传统中的50%阈限其实是不存在的。通过信号检测论可以排除主观标准设定的变动，求得感觉系统对某一强度刺激的感受性，增进人们对于阈限的理解以及提供传统和现代心理物理学整合的可能性，这或许就是低阈限理论最大的贡献了。5 思考题如何根据被试在不同记忆集（SetSize）条件下的击中率P(H)和虚惊率P(FA)（或漏报率P

31、(M)和正确拒斥率P(CR)），推算被试的视觉工作记忆容量，请给出推理过程及最终的计算公式。 由于动机、态度等因素的作用，被试的反应会产生偏差，靠猜测对一部分试验反应为“有”而另一部分反应为“无”。实验中直接得到的P(H)，其实包括了被试真正感觉到的那部分回答和被试猜测的回答。所以，P(H)-P(FA)才是被试真正的击中率。 从条件概率的角度来看，1-P(FA)是真正的基数，所以视觉工作记忆容量K=*.6 结论本实验通过信息检测论在变化觉察范式中的应用，计算了不同记忆集条件下的被试的辨别力指数（d）、反应倾向（）、判别标准（C）和反应时，发现随着记忆集个数的增加，被试的辨别力指数呈递减趋势，反应时呈递增趋势，反应倾向和判别标准呈现先增后减的趋势。进一步分析不同记忆集下颜色变和不变的情况下被试辨别力指数（d）、反应倾向（）、判别标准（C）和反应时，无关维度颜色的变化对于被试的实验是有影响的。颜色的变化会使得被试更倾向于与反应变化，且反应时增加。7 参考文献1杨治良，实验心理学.浙江教育出版社，1998:227-2632朱滢，实验心理学.第2版.北京大学出版社，2009:40-57