信號檢測論

信號檢測論最初是資訊理論在通訊工程中的應用成果，專門處理噪音背景下對信號進行有效分離的問題，其過程本質上是一種統計決策程序。在信號檢測論引入心理學研究領域后，一些原先的基本概念、思想和假設被移植到心理物理學情境中來。

是一種把通訊系統中雷達探測信號的原理用於人的感知覺研究的理論。它是特納和斯威茨在1954年引入心理學的。信號檢測論的提出改變了傳統上人們對感覺閾限的理解。

20世紀50年代，實驗心理學受行為主義思想的支配，以刺激一反應（S—R）為核心，認為所有的行為都是機體對刺激的反應，心理學只能研究那些能夠直接觀察和記錄的外顯反應，心理科學的任務就是把刺激與特定刺激有關的行為鑒別出來，發現對S—R聯結可能有影響的各種因素。起先，行為主義原則似乎很管用，在感覺閾限、語詞學習、比較心理等研究領域取得了一系列重要成果。可是，心理學家們漸漸意識到，人類行為是一系列複雜事件的最終表現，遠不是用簡單的S—R就能說清楚的。這一改變很大程度上要歸因於信號檢測論的發展。信號檢測論把外部世界的刺激能量作為主體探測的對象，把人的內部表徵看作是外部刺激與以前經驗共同作用的結果。它的引入為假設刺激能量與內部表徵間的關係提供了必要的聯繫環節。

是從電子工程學和統計決策論中發展起來的。第二次世界大戰期間，工程師們創立了一種用來說明雷達設備搜尋探測飛行物過程的信號檢測理論。特納和斯威茨認為，雷達系統搜索目標的過程和人類尋找信號進行反應的過程是類似的。例如，被試從一個明亮的背景中發現一個光點和雷達在空中搜索到目標本質上並沒有什麼區別，而這個過程所涉及的實際上也就是傳統物理學研究的閾限問題。信號檢測論對傳統心理學最大的衝擊在於它指出，被試判斷刺激是否出現不僅取決於信號的強度，還要看作業的性質以及被試對判斷後果的認識。後來的研究證明，被試探測到信號的概率會隨著判斷後主試提供的獎懲情況而發生變化。

可先設想一下雷達兵在前哨工作的情形。他的任務是每天幾小時盯著雷達顯示器，觀察屏幕上是否出現代表敵方飛行物的光點。顯示屏上出現光點有兩種可能性，一種可能是雷達探測到了敵機的行蹤，另一種可能是有鳥類或其他飛行物從雷達探測區域經過。所以，顯示屏上呈現的刺激（光點）有兩種不同的含義，一種代表了信號（信號是電子通訊術語，指電子脈衝的有規律波動。在信號檢測論中，信號指的是要求被試辨別的刺激，在這裡就是指敵機），另一種則是噪音（噪音在電子通訊中指的是任何對信號的干擾。在信號檢測論中，噪音是信號出現的刺激背景，噪音可以是內源的，如人體內的自發神經活動，也可以是外源的）。雷達兵把光點判斷為信號還是噪音，有四種不同的情形。如果雷達探測到的是敵機，雷達兵及時發出警報，通知高炮部隊或空軍攔截，就是“擊中”；如果這時雷達兵沒有把顯示屏上的光點判斷為信號，就是“漏報”；如果雷達探測到的只是一隻飛鳥，雷達兵卻把它當作敵機（信號）看待，就是“虛報”；如果這時雷達兵正確地把它判斷為其他飛行物（噪音），那就是“正確拒斥”。

在這個模型基礎上，我們可以開始從在模糊的背景中探測信號的角度理解人類的感覺閾限。閾限測量時，除了刺激本身的強度外，至少還有兩個因素也會影響被試判斷的結果：一個是被試對信號出現的期望的程度，另一個是被試作出判斷後獲得的獎懲的情況。在實戰狀態下，雷達兵如果作出“漏報”或“虛報”反應，會造成嚴重的後果。

在實驗室里我們可以對這兩個因素隨意進行操縱，通過支付矩陣，測量獎勵或懲罰對信號檢測的影響。例如，有一個實驗研究者要求被試在視野中探測一個隨意出現的目標，規定如果被試的反應是擊中或正確拒斥，給予1角獎勵，如果被試漏報或虛報了信號，就扣除1角作為懲罰。這是一個對稱的賞罰計劃，如果我們改變一下賞罰計劃，把擊中反應的獎勵提高到5角，我們可以想象被試將大大提高他作出“信號出現”判斷的概率。相反，如果我們把正確拒斥的獎勵提高到5角，我們將會看到更多的“信號不出現”反應。

信號檢測實驗中另一個重要的因素是刺激的強度，一個強的、清晰的信號比一個弱的、模糊的信號更容易被探測到。信號檢測論認為感覺是一個連續的過程而不是孤立的兩部分，絕對的感覺閾限並不存在。閾限實際上是一個受很多因素影響的點，反映了被試的反應標準。實驗中，被試最主要的任務是區分信號和噪音。為了判斷信號是否出現，被試必須設定一些判斷的標準。當信號的強度超過判斷標準，被試會報告他感覺到了刺激；當信號的強度低於判斷標準，被試則會報告他沒有感覺到刺激出現。這個過程很像統計學家設定拒絕虛無假設的標準（顯著性水平），他替自己定義了在多大程度上願意接受信號的概率。判斷標準的高低取決於包括支付矩陣在內的其他許多因素。

除了作為很多心理學領域研究的重要方法之外，信號檢測論還為我們提供了一條從信息加工角度重新審視感知覺過程的途徑。它告訴我們，人類對客觀世界的知覺是外部刺激和內部狀態共同作用的結果。信號檢測論及其在心理學中的應用為現代心理學家在傳統心理物理學和認知心理學之間架起了一座橋樑。

信號檢測論假定信號和噪音是兩個常態分佈。以被試在暗室中探測一個光點為便，雖然暗室里除了信號沒有其他光源，但被試體內自發的神經活動仍可成為干擾信號判別的“噪音”。噪音有時強，有時弱，但從總體上看可以假設為一個常態分佈。此外，附加在噪音背景上的信號也是一個感覺強度為尺度的常態分佈。假設被試的判斷標準是在標準點上，噪音分佈下陰影的部分就是理論上虛報的概率。兩個分佈之間的距離d’取決於信號的相對強度：信號越強，信號分佈與噪音分佈的重疊程度越小，信號越弱，兩個分佈重疊的區域就越大。d’值等於兩個分佈均數的標準分數之差。反應標準對信號的判別是非常重要的，如果被試的判斷標準很低（靠向感覺連續體的左側），他會作出較多的虛報反應；如果被試很保守，判斷標準定得很高（靠向感覺連續體的右側），他就會漏掉很多信號。一般來說，被試選擇的標準點總是在既可減少漏報信號，又可最大程度避免虛報的地方。

隨著噪音與信號的呈現比率的變化，被試的判斷標準也會發生相應的改變，影響他的擊中和虛報的反應率。把擊中和虛報的反應概率畫到一張圖上，就構成了接受者操作特點曲線。圖2的ROC曲線說明，被試在實驗過程中可以採用不同的判斷標準。判斷標準較低時（標準1），擊中的概率大約是90%，而虛報的概率約為60%。相反，在判斷標準較高的狀態下（標準5），擊中率約為38%，虛報率僅11%。ROC曲線的形狀還取決於d’值，d’值則與信號的特點有關。如圖3所示，隨著d’增大，擊中和虛報率也

同時上升。當d’趨近於零時，擊中和虛報率接近相等或機遇水平。

實驗證明，一個被試在實驗中的判斷標準可以根據主試對判斷結果的獎懲或信號分佈狀況作各種改變，但d’是穩定的，所以d’可以作為被試辨別信號能力的指標。

以前，信號檢測論主要用於感覺（視、聽覺）研究。後來，信號檢測論成功地應用到學習、變態心理學、反應時和記憶等研究領域。認知心理學家最有興趣的是把信號檢測論用於記憶研究。艾根最早用信號檢測論的方法研究再認，他向被試呈現一些語詞材料，然後要求被試從一大堆語詞中分辨出哪些是新的（未呈現過）刺激，哪些是舊的（呈現過）刺激。擊中和虛報的概率受若干變數的影響，其中有學習的程度、新舊刺激的相似程度、被試的判別標準等。艾根的研究證明，用信號檢測論的術語描述再認是有效的。後來，有很多心理學家引用了艾根的研究方法。