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物理心理学 (Psychophysics) - 阈值 (Threshold) 测量方法 - 人因工程笔记2

news 2025/9/20 7:07:40

第一部分：心理物理学 (Psychophysics) 简介

心理物理学的历史与现代概念演变 (图解)

1. 费希纳的经典概念 (Fechner's Conception)

2. 现代心理物理学概念 (Modern Conception)

第二部分：核心概念

1. 刺激强度与感知强度的关系

2. 阈值 (Threshold)

3. 准确度 (Accuracy) 与精确度 (Precision)

4. 阈值中的噪音 (Noise in threshold)

第三部分：阈值的测量方法

A. 经典测量方法

1. 调整法 (Method of Adjustment)

2. 极限法 (Method of Limits)

3. 恒定刺激法 (Method of Constant Stimuli)

B. 自适应测试法 (Adaptive Testing)

1. 阶梯法 (Staircase method)：

2. 贝叶斯自适应方法 (Bayesian adaptive psychometric method)：

C. 强迫选择法 (Forced-choice Method)

计时法 (Chronometric Methods)：

总结

本系列笔记来自港科广贺登博教授的《人因研究中的分析方法》课程

研究领域: 智能交通与机器人及自动驾驶系统，人因/工业工程

这节课系统地介绍了心理物理学 (Psychophysics) 的核心概念、研究方法以及 “阈值辨别” (Threshold Discrimination)相关的重要知识点

第一部分：心理物理学 (Psychophysics) 简介

课程开篇定义了什么是心理物理学 (psycho-physics)。简单来说，它是一门研究 物理刺激 (physical stimuli) 与我们内心的 主观感受 (mental phenomena / sensations) 之间关系的科学

比如，课程中举了几个例子：

我们能分辨出的最小透明度差异是多少？

我们能感觉到的最小温度变化是多少？
我们能听到的最高频率声音是多少？

这些问题都是心理物理学试图回答的

心理物理学的历史与现代概念演变 (图解)

1. 费希纳的经典概念 (Fechner's Conception)

这个模型分为三个部分：
- 物理刺激 (Stimulus) -> 心理物理过程 (Excitation) -> 现象感知 (Sensation)
他将从“刺激”到“感知”的整个过程称为外部心理物理学 (OUTER PSYCHOPHYSICS)，这是可以直接测量和研究的
而从“神经兴奋”到“感知”的过程，他称之为内部心理物理学 (INNER PSYCHOPHYSICS)，在当时这只是一个理论上的概念，因为无法直接测量神经活动

2. 现代心理物理学概念 (Modern Conception)

随着神经科学的发展，我们现在可以客观地测量的 神经活动 (Neural Activity)
因此，模型演变为：
- 物理刺激 (Stimulus) -> 神经活动 (Neural Activity) -> 知觉 (Perception)
各个部分之间的关系也变得更清晰：
- 神经生理学 (NEUROPHYSIOLOGY)：研究从“刺激”到“神经活动”的关系
- 内部心理物理学 (INNER PSYCHOPHYSICS)：研究从“神经活动”到“知觉”的关系
- 外部心理物理学 (OUTER PSYCHOPHYSICS)：仍然是研究“刺激”与“知觉”的宏观关系

第二部分：核心概念

1. 刺激强度与感知强度的关系

Source: https://pressbooks.umn.edu/sensationandperception/chapter/psychophysical-methods/

这个图表展示了物理 刺激的强度(x) 和我们主观感 受到的强度(y) 之间并非简单的线性关系，主要有三类函数关系：

压缩性函数 (Compressive functions, n < 1)：随着物理强度增加，主观感受到的强度增长得越来越慢。例如亮度 (Brightness)、响度 (Loudness) 和 视觉面积 (Visual area)。比如，蜡烛从1根增加到2根，我们会觉得亮度明显增加；但从100根增加到101根，我们可能几乎感觉不到变化
扩张性函数 (Expansive functions, n > 1)：随着物理强度增加，主观感受到的强度增长得越来越快。例如，电击带来的疼痛 (Pain)，刺激越强，疼痛感会不成比例地剧增
线性函数 (Linear functions)：物理强度和感知强度大致成正比。例如对视觉长度 (Visual length) 或 味觉 (Taste) 的感知

2. 阈值 (Threshold)

这是本课程的核心概念。“阈值”是一个临界点，它区分了能引起特定反应和不能引起反应的刺激

绝对阈值 (Absolute threshold)：指能被我们感知到的最小刺激量。比如，在完全安静的房间里，能听到的最小的声音，就是听觉的绝对阈值。贺老师用QQ音乐的“耳形扫描”个性化功能举例，这个功能可能就是通过测试我们对不同频率声音的听力阈值，来为我们定制最佳音效
差别阈值 (Difference threshold)：又称为恰可察觉差 (Just Noticeable Difference, JND)，指的是我们能分辨出的两种刺激之间的最小差异。比如，两杯糖水，需要多加多少糖，我们才能喝出其中一杯更甜，这个“多加的糖量”就反映了差别阈值

3. 准确度 (Accuracy) 与精确度 (Precision)

在心理物理学实验中，我们不仅关心被试者能否察觉，还关心他们判断的准确性和精确性

准确度 (Accuracy)：指我们的判断（平均值）离真实值有多近
客观相等点 (Point of Objective Equality, POE)：刺激的真实物理值
主观相等点 (Point of Subjective Equality, PSE)：被试者认为与标准刺激相等的值
当PSE和POE不相等时，就存在偏差 (Bias)。一个经典的例子就是 缪勒-莱尔错觉 (Müller-Lyer Illusion) ，两条线段客观上一样长 (POE)，但因为箭头方向不同，我们主观上会觉得一条更长 (PSE)

https://www.nature.com/articles/s41598-020-80073-y

精确度 (Precision)：指我们的多次判断之间的一致性，即判断结果的离散程度

贺老师用打靶的图示生动地解释了两者的区别：

高精确, 低准确: 每次都打在一起，但偏离了靶心
低精确, 低准确: 打得既分散，又偏离了靶心
高精确, 高准确: 每次都打在靶心附近
低精确, 高准确: 打得很分散，但所有弹孔的平均位置在靶心

4. 阈值中的噪音 (Noise in threshold)

我们的感知系统不是一个完美的“开关”。阈值不是一个固定的点，而是一个变化的范围。这是因为存在

内部噪音 (inner noise)。即使没有外界刺激，我们的感觉神经也会有自发的、随机的放电活动。这会导致：

在完全黑暗中，我们可能会“看”到一些微弱的光点（称为“暗光”）
在与世隔绝的 消音室 (anechoic chamber) 中，我们可能会“听”到一些嗡嗡声

由于这些噪音的存在，我们的感知阈值实际上呈现出一条平滑的“S”形曲线 (如 逻辑斯谛函数/Sigmoid函数) (右图)，而不是一个陡峭的阶梯函数 (左图)。

第三部分：阈值的测量方法

如何科学地测量阈值？贺老师介绍了三大类方法

A. 经典测量方法

1. 调整法 (Method of Adjustment)

操作：由被试者自己连续地调整刺激的强度，直到“刚好能感觉到”（递增序列）或“刚好感觉不到”（递减序列）
特点：快速，但主观性强

2. 极限法 (Method of Limits)

操作：由实验者以固定的步长，逐渐增强或减弱刺激的强度，并记录被试者反应发生变化的那个点（转换点）。多次测量后，取所有转换点的平均值作为阈值
图表示例：表格展示了一个例子，通过多次递增和递减的测量，找到了多个转换点 (2, 3, 3, 2, 4, 2)，计算它们的平均值为2.7，这就是测得的阈值
缺点：容易产生习惯误差（被试倾向于重复之前的回答）和期望误差（被试预期刺激将要出现而提前回答）

3. 恒定刺激法 (Method of Constant Stimuli)

操作：实验者预先选定一组（通常5-9个）覆盖了阈值范围的刺激强度，在实验中以随机顺序多次呈现给被试
数据处理：计算每个刺激强度下被试报告 “感觉到” 的百分比，然后绘制心理测量函数 (Psychometric function)
心理测量函数：这是一条S形曲线，横坐标(x)是刺激强度，纵坐标(y)是 “感觉到” 的百分比。按照惯例，将50%对应的刺激强度定义为绝对阈值
优点：最准确、最可靠的方法，随机呈现避免了习惯和期望误差
缺点：耗时较长，且很多刺激（远高于或远低于阈值的）提供的信息较少，效率不高

B. 自适应测试法 (Adaptive Testing)

为了解决恒定刺激法效率低下的问题，发展出了自适应方法。它的核心思想是：

根据被试的反应来调整下一次呈现的刺激强度，使刺激始终保持在阈值附近

1. 阶梯法 (Staircase method)：

这是最简单的自适应方法
操作：如果被试回答“是”（感觉到了），则下一次降低刺激强度；如果回答“否”，则下一次增加刺激强度。如此反复，刺激强度就会在阈值附近上下波动
计算：取所有“转折点”（即回答发生改变的点）的刺激强度的平均值作为阈值
交叉阶梯法 (Interleaved staircases method)：为了防止被试预测到刺激的变化规律，可以同时运行两个或多个方向相反的阶梯（一个从高到低，一个从低到高），并随机呈现，这能得到更可靠的结果

2. 贝叶斯自适应方法 (Bayesian adaptive psychometric method)：

这是更高级、更高效的方法。它会结合先验知识（对阈值的大概估计）和被试在之前所有试验中的反应，通过贝叶斯规则来计算当前对阈值的最佳估计，并把下一次的刺激设置在这个最佳估计点上，从而用最少的试验次数获得最精确的阈值估计

C. 强迫选择法 (Forced-choice Method)

前面的方法都依赖于被试的主观报告（“我感觉到了”），但我们无法确定这个报告是否真实。强迫选择法提供了一种 客观的 测量方式

计时法 (Chronometric Methods)：
这种方法不仅看被试的判断，还测量其反应时 (Reaction Time, RT)
基本原理：当刺激强度远高于阈值时，我们的反应会很快；当刺激强度很弱、接近阈值时，我们需要更长的时间来做出判断，反应时会变慢
任务类型：
- 简单反应时任务 (Simple RT task)：只要看到/听到任何刺激，就立刻按键。
- 选择反应时任务 (Choice RT task)：需要根据刺激的内容来做不同的反应。例如，判断两个颜色是否相同，相同按'1'，不同按'0'
图表示例：图表显示，随着刺激差异（横坐标）的增大，两位被试的反应时（纵坐标）都呈双曲线式下降，这证明了反应时可以作为衡量感知能力的有效指标