信号检测

信号检测论1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（β）、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1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，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（SN）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（FalseAlarm），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。信号检测论2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（responsebias）通常用似然比值（likelihoodratio）来反映，用β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），β的计算公式为：通过β值可以解释被试对刺激进行判断时所持标准的严格性，β值越大（β＞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）；β值越小（β＜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）。（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（judgmentcriterion）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：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,Hitch,&Baddeley,2009)提出的工作记忆的多成分模型(Multiplecomponentmodelofworkingmemory)。最早的多成分模型包括语音回路（Phonologicalloop）、视觉空间画板（Visuospatialsketchpad）和中央执行器（Centralexecutive）三个成分。后来，又增加了一个情景缓冲器（Episodicbuffer）。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。信号检测论3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（memoryarray或samplearray）；（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（probearray）。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1～3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3～4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1.8cm×1.8cm。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。500～1000毫秒后，注视点消失，而后呈现2～6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，信号检测论4500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600～1300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（β）、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’、β、C和反应时统计表记忆集/个反应倾向β辨别力指数d'判别标准C反应时21.003.130.50620.4880.0331.302.580.54659.3090.0541.001.790.50682.3396.5050.951.310.47694.5398.8060.880.990.37712.55109.15图5不同记忆集条件下的被试d’柱形图信号检测论5图6不同记忆集条件下的被试β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（β）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（β）和判别标准（C）统计表信号检测论63.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92个记忆集下的ROC曲线图103个记忆集下的ROC曲线图114个记忆集下的ROC曲线图125个记忆集下的ROC曲线图136个记忆集下的ROC曲线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。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记忆集/个颜色改变颜色不改变反应倾向β辨别力指数d'判别标准C反应倾向β辨别力指数d'判别标准C2.000.813.010.481.343.290.533.000.702.600.452.722.730.634.000.821.770.441.221.830.5