信號檢測論sd的心理學應用

信號檢測論sd的心理學應用

信號檢測理論（sdt）是信息論的一個分支，其研究對象是信號傳輸系統(tǒng)中的信號接收部分。它最早用于通訊工程中,即借助于數(shù)學的形式描述“接收者”在噪聲背景中信號的接收問題。1954年密西根大學的W.P.Tanner和J.A.Swets等人首先將SDT應用于感知覺研究。目前,SDT作為一種新的心理物理學方法正廣泛地應用于心理學研究的各個領(lǐng)域。SDT可以應用于任何存在二種信號狀態(tài)(有信號/無信號或信號/噪聲)和二種反應選擇(有/無或信號/噪聲)的場合。在每種信號狀態(tài)下都存在二種反應可能,其組合就構(gòu)成一個兩擇一判決矩陣,其中H和CR是正確反應,M和FA是錯誤反應。如果用概率表示則顯然有P(H)+P(M)=1,P(FA)+P(CR)=1(表1)。SDT在心理學中之所以能占一席之地,這主要是因為在心理學中,人的感覺、由樞分析過程可以視為信息加工過程。如果將刺激變量看作信號,刺激的隨機物理變化和神經(jīng)系統(tǒng)在感知處理過程中的隨機變化視為噪聲,人作為接收者對刺激的分辯問題就可以等效于噪聲背景下的信號檢測問題。SDT的最大優(yōu)點是它可以把操作者的反應敏感性和反應傾向分開。這一區(qū)分使它不僅為心理學研究提供了新的研究方法,而且為心理學的許多應用領(lǐng)域提供了更加有效的分析工具。它能使分析更加深入,結(jié)論更加可靠。今天,SDT無論在理論上,還是在實踐應用上已經(jīng)顯示了它的優(yōu)越性。本文限于篇幅,僅介紹它顯示出較大成果的三個心理學應用領(lǐng)域。一、警戒能力的研究警戒操作是工程心理學中的一個重要問題。我們知道,操作者需要在相當長的一段時間里檢測信號,而信號是間歇性的,無法,預測的,發(fā)生頻率很低。諸如雷達操縱手監(jiān)測偶然出現(xiàn)的飛機信號,復雜工業(yè)系統(tǒng)的操作人員監(jiān)測偶然發(fā)生的系統(tǒng)故障,流水線上的質(zhì)量檢驗員監(jiān)測次品等操作都可以看作警戒操作。警戒系指操作者在相對較長的一段時間內(nèi),對環(huán)境中偶而出現(xiàn)的某種信號的察覺與做出反應的持續(xù)準備狀態(tài)。對警戒問題的研究興趣起源于第二次世界大戰(zhàn)。當時,軍事上需要高水平的雷達操作員。理想的雷達操作員應始終保持對顯示屏的注意。可是,實際情況常常是,盡管重要的戰(zhàn)備任務使操作員保持高度良好的動機和責任心,可是他們的工作成績總是不能令人滿意?；蛘呤锹﹫笮盘?或者是謊報敵情,而且往往隨著工作時間的延續(xù)，檢測出的信號越來越少。很顯然,不是操作員的主觀愿望或其他主觀因素直接決定他們的工作成績,而是由于雷達監(jiān)視工作的特點降低了操作員的警戒能力,從而使他們的工作成績隨時間的持續(xù)而下降。為了探明原因,心理學家們做了大量的研究工作。1948年N.N.Machworth以經(jīng)典的“鐘表任務”來觀察人的警戒行為。在這個任務中,讓被試監(jiān)視一個鐘表的指針,規(guī)定指針跳動某一角度為標準角度,而把偶而跳動標準角度的兩倍的刺激稱為信號事件。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),被試正確檢測信號的數(shù)量隨時間呈下降趨勢。在連續(xù)注視鐘表達30分鐘后,就只能檢測到很少的信號了。以后,研究者們設(shè)計了多種警戒任務,以此來研究人的警戒行為。這些任務具有如下一些共性:①被試的任務費時長,且有連續(xù)性;②被試的反應與信號發(fā)生的可能性無關(guān)；③信號被知覺的清晰度較高;④信號是隨機發(fā)生的,且概率較低。警戒操作的一般研究得出的結(jié)論是:1.人們的操作遠非“最佳操作”,尤其是漏檢率P(M)很高(或者是很長的延遲后才反應);2.以擊中率P(H)衡量,某些情況下警戒操作在半小時內(nèi)就開始惡化,這種情況稱為警戒衰退(Vigilancedecrement,指操作隨時間的延續(xù)而衰退),它不同于警戒水平,后者是警戒操作的穩(wěn)定水平、絕對警戒水平通常用P(H)作指標。警戒衰退與絕對警戒水平的影響因素有所不同。一般來說,當信號較短、能量低、復雜程度高、信號概率降低時,絕對警戒水平將降低;但當信號概率穩(wěn)定而僅僅事件頻率[單位時間里的事件(包括信號和噪聲)]發(fā)生變化時,警戒水平不受影響。對警戒衰退來說,信號較短、能量低、信號概率下降或者信號概率穩(wěn)定但事件頻率上升都能導致警戒衰退的增加。對警戒衰退所作的SDT分析表明,P(H)降低的原因既有敏感性下降(d′降低),也有反應傾向的變化(β增高),或者兩者皆而有之。因此,在評價操作者警戒能力時,不能單一地采用擊中概率為指標。而應把擊中概率和虛報概率二者結(jié)合起來。還應把感覺敏感性和反應偏向分開處理,只有這樣才能說明警戒下降的真正原因。就敏感性下降而言,早期研究集中于視覺信號檢測,并認為d′降低的原因是疲勞(Broadbent,1971)。近期研究開始注意聽覺信號檢測任務,并指出記憶因素在d′降低中的作用,因為信號的檢測通常需要將當前刺激同保持在工作記憶中的標準刺激或“刺激模板”進行比較(Parasuraman1979)。例如在一個聽覺檢測實驗中,目標信號是音高、強度或時程與標準音調(diào)不同的聲音。這時,非目標事件(標準音調(diào))需要作為比較參照維持在記憶中,當時間延長時,觀察到了d′降低。但當實驗條件改為聲音成對呈現(xiàn)時,檢測任務無需記憶參與,因為此時比較參照與當前刺激同時呈現(xiàn),結(jié)果,未觀察到d′降低現(xiàn)象。在大部分警戒操作中,當P(H)降低時,P(FA)經(jīng)常也同時降低。在某些情況下,P(FA)的降低幅度足以提醒人們,操作者的反應敏感性(d′)并未變化,而且是反應傾向(β)發(fā)生了變化(Broadbent&Gregory1965)。據(jù)此,Welford(1968)首先提出了警戒衰退的喚醒理論,他認為,在持續(xù)長時間的事件環(huán)境中,喚醒水平的降低將導致神經(jīng)系,統(tǒng)整體活動的減少。這樣,信號和噪聲兩者都傾向于減少而噪音分布和信號加噪聲分布的分離程度保持不變,其效果是既降低P(H),同時也降低P(FA),這樣,操作者d′不變只是β增高。Welford的喚醒理論受到一些事實的支持。例如,隨時間延續(xù)而發(fā)生的喚醒降低的生理表現(xiàn)與β變化相一致;提高喚醒水平的藥物能降低警戒衰退現(xiàn)象;提供背景噪聲或任何新異刺激(提高喚醒水平)都能降低警戒衰退。但是喚醒理論無法解釋所有的β變化,某些變量顯然影響喚醒水平但并未對β產(chǎn)生預期的影響。例如,提高事件頻率(但目標事件的時間間隔保持不變,如此降低了信號概率)能提高喚醒水平,但結(jié)果反而增加了警戒衰退。Baker(1961)提出的期望理論將警戒衰退歸因于操作者對覺察到的(由此產(chǎn)生期望)信號概率的反應——調(diào)整反應標準(增加β)。實驗室中觀察到警戒衰退至少可以部分歸因于實驗前的訓練:實驗開始前通常以較高的頻率呈現(xiàn)信號刺激以便讓操作者熟悉需檢測的信號。然后,信號概率降低到警戒狀態(tài)下的低頻率條件。這樣,操作者的警戒衰退僅僅反映了操作者試圖建立最佳β的努力:當信號概率低時,β應提高。Colouhoun和Baddeley(1967)曾指出,當實驗前的訓練在低信號頻率條件下進行時,警戒衰退減少了。但是,實驗前訓練的影響無法解釋所有隨時間而發(fā)生的β變化。因此,期望理論進一步提出,操作者是根據(jù)覺察到的主觀信號概率Ps(S)來確定β的。這樣,只要信號因任何原因發(fā)生漏檢,Ps(S)將會降低,因為操作者相信剛才發(fā)生的是非目標事件;Ps(S).又引起β上升,也將進一步降低Ps(S)。如此循環(huán)不已。Broadbent(1971)將此稱為“惡性循環(huán)”,即β螺旋上升。P(H)螺旋下降。在實際操作中,由于其它因素的影響,β最終將大致穩(wěn)定在一個較高的水平。由于“惡性循環(huán)”開始于第一個信號漏檢,也就解釋了降低反應敏感性的變量(如短、低強度信號)能增加警戒中的期望效應這個事實。借助SDT理論可以對警戒衰退現(xiàn)象進行更深入的分析,同時,它也能據(jù)此提出降低警戒衰退的措施。這些措施的作用在于提高反應敏感性,改善β,從而改善警戒操作。從Parasuraman對d′降低所作的解釋中可以提出的邏輯結(jié)論是,改善操作者對信號特征的記憶或降低其記憶負荷的措施將減少d′衰退,同時,這將進一步有助于減少因期望因素產(chǎn)生的警戒衰退。有關(guān)的研究者據(jù)此提出了許多可以改善警戒操作的措施。例如,Fisk和Schneidet(1981)證實,反復訓練操作者對目標信號的反應將大大降低警戒衰退。因為反復訓練能使操作者形成自動化的刺激加工,而自動化的反應較少依賴于工作記憶。Childs(1976)進行的研究發(fā)現(xiàn),當操作者的任務是檢測一個目標而不是幾個目標中的一個時,警戒操作得到了改善。此外,Childs進一步指出,告訴操作者目標刺激“是什么”的效果要優(yōu)于告訴他們目標刺激“不是什么”。例如,對流水線上的質(zhì)量檢驗人員來說,提供次品的明確的視覺形象要比僅僅要求他們提出“與正品不同的產(chǎn)品”效果好得多。與減輕記憶負荷有關(guān)的另一類措施稱為“信號增強技術(shù)”(Signalenhanementtechniques)。如果僅僅簡單地增強信號事件的物理能量,往往難以收到改善操作的效果。因為在信號增強的同時噪聲強度也增加了,結(jié)果信噪比并未改變。因此,信號增強技術(shù)經(jīng)常賦予信號事件以區(qū)別于噪聲事件的特征,這通?？梢酝ㄟ^改進信號呈現(xiàn)系統(tǒng)來達到。例如,在雷達監(jiān)測任務中,如果信號事件的呈現(xiàn)方式與噪聲事件的呈現(xiàn)方式十分相似,檢測任務將非常困難;但如果雷達系統(tǒng)在接收到目標信號時的呈現(xiàn)方式有顯著區(qū)別(如亮點有獨特的運動方式),則操作將大為改善。有些信號增強技術(shù)甚至采用轉(zhuǎn)換感覺通道的方法,例如在工業(yè)系統(tǒng)的故障監(jiān)測中,一旦系統(tǒng)發(fā)生故障,原先穩(wěn)定的視覺呈現(xiàn)(信號燈)改為閃爍方式,同時信號轉(zhuǎn)變?yōu)?聽覺呈現(xiàn)(警鈴),這將大大提高信號被檢測到的概率。從反應傾向這一角度同樣可以提出改善警戒操作的措施。一般來說,能夠提高喚醒水平的措施都有助于降低警戒衰退。這些技術(shù)中甚至包括生物反饋技術(shù),Beattg等人(1974)報告說,訓練操作者抑制θ波(頻率為3—7HZ的腦電波,指示低喚醒水平)亦將減少警戒衰退。Baker(1961)指出,在可能情況下引入假信號能使β維持在較低水平。因為引入假信號將提高Ps(S),同時它能提高喚醒水平,更進一步,如果假信號與真實信號物理上非常相似,他還能恢復操作者對信號特征的記憶,這將減少d′降低引起警戒衰退。例如,在流水線質(zhì)量檢測任務中,混入若干“預定的”次品(即使未被檢驗員發(fā)現(xiàn)最后也會被檢出)將使檢驗員的主觀信號概率ps(S)維持在較高水平,從而降低β。當然,引入假信號的方法存在一定的危險。首先,操作者絕不能意識到存在假信號,如果人們意識到存在假信號,他們將試圖避免檢測這些假信號,結(jié)果將使β反而提高。其次,在操作者檢測到,信號后可能導致嚴重后果的場合,例如,在工業(yè)系統(tǒng)故障監(jiān)測任務中,虛假的故障信號可能導致操作者將整個系統(tǒng)關(guān)機,這時就不能應用這一方法。綜上所說,信號檢測論不僅使我們弄清了警戒下降的原因,而且也使我們找到了防止警戒下降的某些方法。從原因上分析:首先,警戒下降可單單由反應標準的提高而引起,表現(xiàn)為操作者報告某個刺激是否為信號變得愈來愈慎重。在上述的SDT模型圖上,報告軸向右移,即β值變大。這時,操作者的正確檢測概率和虛驚概率都隨時間而下降。眾多的研究表明,警戒的下降大多數(shù)表現(xiàn)為β的提高。第二,警戒下降也可單純地由感覺敏感性的下降而引起。這種下降具體表現(xiàn)為操作者愈來愈不能把信號從噪音中分辨出來。在信號檢測論模型圖上,可看到信號分布和噪音分布之間距離變小,即d′值變小。在此情況下,操作者的擊中概率隨操作時間而不斷下降,而虛驚概率則保持原水平。第三,警戒下降還可由感覺敏感性和反應標準兩指標的雙重變化而引起。這種情況一般表現(xiàn)為操作者愈來愈不能把信號從噪聲中鑒別出來。同時操作者報告一個刺激是否是信號也變得愈來愈慎重。在信號檢測論模型圖上,一方面報告標準軸向右邊移,即β值變大;另一方面信號和噪音二分布之間的距離縮小,即d′值變小。當然,這二個因素所起的作用是不同的、多變的。二、sdt:更一種作為“反應”的工具實驗心理學領(lǐng)域是SDT的重要應用領(lǐng)域。就感知覺研究而言,由古典心理物理學方法測得的閾限是被試辨別力和反應傾向兩者的混合物。盡管古典心理物理學方法采取了許多措施試圖消除動機、態(tài)度等因素的影響,但仍然無法從根本上解決問題。SDT對辨別力和反應傾向作出明確的區(qū)分,從而可以深化有關(guān)的研究。例如,Clack(1974)曾進行一項關(guān)于痛感受性的研究,借助SDT,Clack研究了主試提高對被試反應d′和反應標準β的影響,并同用古典心理物理學方法測得的閾值進行比較。第一階段實驗為測量痛閾和耐痛閾,然后給予提高,內(nèi)容為告訴被試重復刺激將使皮膚感受器疲勞,從而更能耐受痛刺激,然后測量耐痛閾。用古典心理物理學方法處理數(shù)據(jù)得出的結(jié)論是主試提示確實能提高耐痛閾,但對痛閾無顯著影響。但是,同樣的實驗數(shù)據(jù)用SDT分析后表明,主試提示并未改變被試的感覺辨別力,而僅僅改變了反應標準。換句話,SDT分析揭示了,古典心理物理法公認的實驗結(jié)果一一主試提示能明顯提高耐痛閾——實際上是被試在主試提示的影響下改變了反應標準造成的。除感知覺問題外,SDT亦可應用于再認記憶的研究。在再認回憶中,被試所面臨的操作實際上是檢測當前刺激(可能識記過,也可能末識記過,即既可能是信號,也有可能是噪聲),將它同記憶痕跡進行“匹配”,作出“是”或“不是”的反應,這一操作可以看作典型的信號檢測問題。SDT應用于再認記憶研究同樣具有很多優(yōu)點。例如,在再認能力最佳年齡的一項研究(楊治良等,1680)中,SDT分析指出,在不同指導語條件下再認分數(shù)的變化不是因為被試辯別力的改變,而是由于反應傾向的變化所致,這是用古典方法分析難以得到的；其次,SDT將錯誤反應區(qū)分為漏檢與虛驚二類。有利于進一步分析錯誤原因。此外,SDT的d′指標比傳統(tǒng)再認法指標更加靈敏。除了實驗室研究以外,SDT對實際生活中的記憶問題也可以提供很多幫助。一個有趣例子是見證人提供證詞中的見證證據(jù)(eyewitnesstestimony)。在這一任務中,嫌疑者(可能參與犯罪(信號)也可能未參與(噪聲)由見證人進行辨認,作出“是”或“不是”判,斷,這既是一個再認問題,同時也可以看作信號檢測問題。在見證人問題中,由于維護法律的公正、維護社會治安等動機因素的參與,見證人反應的β值往往或者偏高(漏檢很多,罪犯很有可能逃脫,但清白者較少可能無故受懲),或者偏低(漏檢少,罪犯很少逃脫,但清白者受懲的可能較大)。SDT對見證人問題的直接應用是見證人在若干名嫌疑者中進行辨認這一情況:見證人在5～6個人組成的“隊列”中進行辨認,其中一人被警察認為是嫌疑犯。這是見證人的決策實際上分成了兩個階段。即:1.嫌疑者是否包括在這些人中72.如果包括在其中的話,是哪一個?Ellison和Buckhout曾對此問題進行了較為深入的研究,他們指出,見證人在回答第一個問題時,所持的反應標準較寬,通常作肯定回答。許多研究證實,對一個短暫的突發(fā)事件來說,見證人的視覺再認記憶可靠性相當?shù)?因此,操縱見證人辨認的“隊列”,將能影響他們的反應傾向。Ellison和Buckhout提出了如下觀點:1.在肯定回答中表現(xiàn)出很大信心的見證人(“我可以肯定是他”)實際上比那些不太肯定的見證人敏感性更低;2.告訴見證人嫌疑者有可能不在“隊列”中這一簡單措施能使β接近最佳反應傾向;3.“隊列”應由相似的人組成,盡管這樣相似性將略微降低擊中概率,但它能在更大程度上降低虛驚概率,其結(jié)果在敏感性上得到凈收益。三、對其他具體診斷的操作堅持和發(fā)展了更具體的診斷在應用領(lǐng)域中,醫(yī)學診斷是SDT可以大有作為的一個領(lǐng)域。異常癥狀既可出現(xiàn)于病人,也可出現(xiàn)于正常人,醫(yī)生最初的任務就是作出決策“是”或“不是”。在這里,信號強度(將影響有′)與異常癥狀的顯著程度、異常癥狀的多少、醫(yī)生對有關(guān)線索的關(guān)注(取決于醫(yī)生所受的訓練)有關(guān)。反應傾向的影響因素包括信號概率和支付矩陣,具體地說,前者指疾病的發(fā)病率,后者主要是診斷的可能后果,例如,如果虛驚,就診者將接收不必要的治療(服藥還是手術(shù)?治療有無副作用?)如果漏檢,病人將延誤治療(是否會產(chǎn)生嚴重后果?)Lusted(1976)、Swets和Pickett(1982)曾指出,醫(yī)生的診斷操作可以用ROC曲線進行數(shù)量化,Swets和Pickett在進一步的研究中還詳細考慮了應用SDT分析醫(yī)學診斷問題時的方法學問題。;一部分研究者關(guān)注了更具體的診斷問題,如放射學家根據(jù)X光片所作的診斷。這類診斷通常距最佳操作相距甚遠,據(jù)估計這類診斷中異常癥狀的遺漏率可高達20～40%。運用SDT進行的分析得出了一些有用的結(jié)果。例如,Swennsen(1977)的研究指出,讓操作者的注意力集中于X光片上異常癥狀更有可能發(fā)生的區(qū)域能夠提高檢測到癥狀的可能性,但提高的原因是操作者降低了β而不是增加了d′。Swonnsen等人(1979)還比較了兩種條件下進行的異常癥狀檢測,第一種條件是很多X光片中有一部分包含了一種異常癥狀,第二種條件是需檢測的關(guān)鍵異常癥狀同包括有其它病理表現(xiàn)的X