视觉心理物理实验方法.docx

1、视觉心理物理实验方法视觉的心理物理实验方法1 心理物理学的诞生心理物理学在整个科学史上，尤其是在心理学史上占有很显著的地位。早期的科学家，不去争论心理活动能否测量，而只是着手去测量整个心理过程的某一部分，即属于感觉或知觉方面的心理活动。 费希纳（G. T. Fechner）是德国心理学家，为公认的心理物理学的奠基人。他在德国生理学家韦伯研究的基础上，假设最小可觉差是感觉单位，经过许多实验和推导，得出感觉与刺激的对数成比例的公式：S=Klog R(S代表感觉，R代表刺激，K系常数)。他发表了著名的心理物理学纲要。费希纳的公式引起种种怀疑和争论。经过多年研究，他又于1882年发表心理物理学要义一书

2、，竭力为他的心理物理学辨护。2心理物理学的发展费希纳在心理物理学纲细一书中提到了心理物理学有三种基本的方法。这些方法称之为心理物理学方法，又称心理物理法。心理物理法经过了一百多年的发展、修改和补充，出现了许多变式。自本世纪五十年代，泰纳和斯维茨把信号检测论引入心理学领域以来，又为心理物迎学的研究提供了一个新的有力工具。后人为了有所区别，将费希纳最早提出的三种基本的心理物理法称之为古典心理物理法，而信号检测论称之为现代心理物理法。2.1 古典心理物理学费希纳的心理物理学纲要一书，主要阐述了五个问题：对数定律；心理物理学的三种基本方法；内部心理物理学；意识阈；负感觉。其中，最主要的是前两个问题。下

3、面我们分别叙述。2.1.1对数定律费希纳在韦伯等人研究得到韦伯定律的基础上，应用微积分公理，提出感受的强度与刺激的强度的对数成正比。这就是费希纳对数定律。这个定律确定了心物之间的定量关系，因而成为心理物理学确定感觉强度和刺激强度之间函数关系的基本定律。就是说心理量是刺激量的对数函数，当刺激强度以几何级数增加时，感觉的强度以算术级数增加。这个对数定律曾为用差别阈限法制作的等距量表所支持。但是，费希纳的对数定律曾受到各方面的批评和质疑。由于费希纳再推导公式的过程中应用了微积分，同时提出丁两个假设，也引起了许多不必要的书记争论。这些批评和争沦，概括起来主要有：有些心理学家认为每个感觉是完整的，是不能

4、分解成部分的，刺激可直按测量，而感觉则否，感觉须根据刺激及感受性，作间接的测量；韦伯定律并不是到处都适用的，当刺激强度很低时就偏离了R和R之间的简单的比例。费希纳是以韦伯定律为出发点的，韦伯定律的局限性势必给费希纳定律带来同样的局限性。并且最小可觉差的主观量是否相等也存在疑问。2.1.2 心理物理学的三种基本方法-古典心理物理法费希纳在心理物理学纲要一书中，用自己多年的研究提出了心理物理学有三种基本的方法：最小可觉差法(the method of just noticeable differences)，后称极限法(the method of limits)；正误法(the method of

5、 right and wrong cases)，后称常定刺激法，或仅称常定法(th e constant method)；平均误差法(the method of average error)，后称调整法(the method of adjustment)和复制法(the method of reproduction)。这些方法都伴有实验的手续和数学的处理，而且各具有其特殊的形式。常定法因缪勒和乌尔班而有更进一步的发展。最近，调整法显示了胜过其他方法的优越性。2.1.3 内部心理物理学外部心理物理学是指对于心理现象与外界刺激的关系的研究；内部心理物理学则是指对于心理现象与身体内作用的关系的研究。

6、费希纳以为内部心理物理学有别于外部的心理物理学。他说，外部心理物理学讨论心理现象和刺激之间的关系，实际的实验隶属于外部心理物埋学；但是内部心理物理学是心理现象与对心理现象最直接的兴奋之间的关系。费希纳所称的韦伯律乃是以觉阈为基础。因为假设SKlogR，那么S0时，R便为一个有限量。因此赫尔巴特的意识阈，只是韦伯律的一个系论。在事实上，费希纳将觉阈和注意联系起来，就更与赫尔巴特互相符合了；意识苦已为他种感觉所占领，则新感觉若没有战胜那“混合的觉阈”(the“mixture limens”)就不能插足进去了。2.1.4负感觉根据内部心理物理学和意识阈的思想，就有“负的感觉”的存在。图（1）绘成对数

7、的曲线，表示“韦伯律”中S和R的关系。这个函数要求：S0的时候，Rr，r就是觉阈，因此，R的阈下值，就有负的感觉，因为在理论上，R0的时候，S是负的而无限的。费希纳相信“以负的数量表示无意识的心理的价值，那便为心理物理学的一个基本点”。负感觉=S 正感觉=+S图（1）负感觉示意图费希纳建立了心理物理学，试图在物理刺激和心理感觉之间寻求数量化的关系，这对于心理科学的独立和发展的作用是不可抹杀的。古典的心理物理学在它在测量感觉阈限和阈上感觉时，没有能够考虑人的情绪、动机、欲望、生活经历等因素的影响，其实验条件也与实际生活情景相差甚远，因此所得结果难于说明现实生活中人的感知能力。尽管古典心理物理学也

8、曾在一定程度上注意到了某些这类因素的影响，并且采取了一些补救措施，但是，这些措施只能使影响阈限估计的一些因素保持恒定，并不能把被试的反应偏好和辨别力区分开来。正是为了克服古典心理物理学的这一严重的缺陷，才促使信号觉察论引入了心理学研究之中。因此，随着心理物理学的不断完善和发展，形成了新的幂定律、信号检测论等现代心理物理学。2.2 现代心理物理学由于传统的阈限理论存在很多不足和缺陷，关于阈限概念的理解上已成为古典的和现代的心理物理学争论的焦点。经典的阈限测量最大的问题在于没有能够把被试的辨别能力(感受性)和他们作出判断时的倾向性(反应标准)区别开来。也就是说，经典的阈限测量没有考虑许多非感觉变量

9、对被试的影响。而现代心理物理学从对阈限概念的不同理解出发，将把被试的辨别力和他的反应倾向的感觉阈限值分开处理，这是现代心理物理学对阈限概念和感觉理论的新发展。由于现代科学，特别是控制论、信息论和系统论不仅对心理学理论带来的巨大影响，而且也对心理研究方法带来了新的突破。这些变化不仅明显的表现在对阈限溉念的理解上，而且你也反映在心理物理学所研究的课题上。现代心理物理学中将古典问题进行新的归类，把古典心理物理学的一些问题组织到那些感觉能力和反应倾向的范畴内。2.2.1 史蒂文斯定律到了二十世纪中期，史蒂文斯根据他多年研究的结果建立了一个新的心理物理定律幂定律。提出了出了刺激强度和感觉量之间关系式为：

10、即心理量S是物理量I的幂函数。这里，b是由量表单位决定的常数，a是由感觉道和刺激强度决定的幂指数。幂函数的指数值决定着按此公式所画曲线的形状。例如，如果指数1.0，便是一条直线，即刺激与感觉之间为简单的正比关系；指数大于l，则为正加速曲线形；小于1，使为负加速曲线形。史蒂文斯认为，这种函数关系适用于量的连续体，这是一些对它们做出多少的判断的连续体。在这个连续体上感觉的变化，是以刺激引起的神经兴奋多少为依据的。例如声音的响度，光的明度，彩色的饱和度等形成的连续体，都是量的连续体。史蒂文斯还认为，其它函数则可能来自与哪种或哪里的判断有关的质的连续体。在这个连续体上感觉的变化，是以刺激引起的神经活动

11、的部位为依据的。也可以说，在生理上它是以一个相互代替的机制为依据的。例如声音的音高，彩色的色调等形成的连续体，都是质的连续体。幂函数是对实验结果的总结，但史蒂文斯对它也做出了解释。他指出，由于感觉系统的神经输出是刺激强度的幂函数，所以被试作出的判断也是刺激强度的幂函数。幂定律的重要性在于其相等的刺激比例产生相等的感觉比例这一含义。由此可以认为，如果在一特殊环境中所有的刺激强度都按照百分比增加或减少，那么感觉变化的比例则保持恒定。它区别于费希纳的对数定律的地方还在于对感觉直接测量，以至有的心理学家称它为“新心理物理学”的开始。这里所说的“新心理物理学”，就是指现代心理物理学2.3 信号检测论信号

12、检测论(Signal detection theory，简称SDT)，它是信息论的一个分支，研究的对象是信息传输系统中信号的接收部分，最早用于通信工程中。由于信号检测论的引入，解决了一些古典心理物理学方法所不能解决的问题。例如用古典心理物理法测定感觉阈限时，如果主试的指导语改变了，感觉阈限会随之发生变化。究竟指导语影响了被试的辨别力，还是影响了他的反应倾向，古典心理物理法就回答不丁这个问题。用信号检测实验得到的结果表明，在不同指导语的影响下测得的感觉阈限之所以不同，不是由于被试的辨别力发生了变化而是由于改变了判断标准造成的结果。随着信号检测论的引入，把心理物理学的研究确实向前推进了一大步。目前

13、，信号检测论已经成为一种新的心理物理法，并广泛应用到研究心理现象的各个领域。2.3.1 信号检测论的统计学原理统计决策理论是信号检测论的数学基础，它的主要工具是概率论。通常它的目的是对一大堆数据产生一种简单的描述或精炼化，使得人们易于理解，并使之与研究的已知情况相符合，这种数据的精炼可以用象均值，方差和置信度等量来表达。信号检测论是人们在同噪声干扰进行斗争中总结出的方法，实质上是有意识地利用信号和噪声的统计特性来尽可能地抑制噪声，从而提取信号的。2.3.2信号检测论的二个独立指标近三十年来，一些信号检测论者认为阈限不是个纯净的感知能力的指标，而且，一般纠偏和校正猜测机遇的公式都不能对被试者的真

14、实感知能力作正确的估计。因为被试者在报告他对某个刺激或信号的感受时，总是受到其它因素的影响。根据信号检测论把刺激的判断看成对信号的侦察和作出决择的过程。这样，在同一过程中就出现了两个独立的指标：一个是感觉辨别力指标d，表示感知能力，又称感觉敏感性；另一个是反应偏向（有时也用c表示），它包括利益得失、动机、态度等因素。由于反应偏向可由二种方法计算：一种是报告标准c；另一种是似然比。这样信号检测沦的二个独立指标就有三种计算方方法。2.4 反应时新法 五十年代后期，美国心理学中出现了一个新兴的理论方向和研究领域。到了七十年代已成为美国心理学的一个主要方向，这就是认知心理学。认知心理学反对局限于研究孤

15、立的、外观的、可观察的反应。而致力于认识活动，认知心理学把研究的重点转到内部心理过程上去。认知心理学家致力于从事能提供内部心理过程线索的观察。并利用不同的方法从不同的方面进行研究，积累数据。通过连锁推理作出有关观察不到的心理过程的可靠的说明。有人把这种方法称为会聚件证明法，即把不同性质的数据会聚到一起，得出结论。通过反应时可以测量看不到的心理过程，严格加以研究。在反应时研究中，认知心理学家研究较多的是选择反应时(CRT)，而不是简单反应时，因为逃择反应时能提供更多有关内部状态的信息。认知心理学有二个主要方法。除反应时以外，另一个最常用的方法就是以作业成绩为指标的实验。比较而言，反应时实验可以较

16、好地揭示完成某个作业的内部信息加工的诸阶段，而以作业成绩为指标的实验则较有利于揭不某个特定加工阶段的特点。这两类实验不是互相排斥的，事实上认知心理学常同时应用反应时和作业成绩两个指标，以取得更完整、更有意义的结果3 视觉刺激及实验中的相关变量视觉在人的感觉中占统治地位，各领域的研究者对视觉的研究也远远地超过其他的感知觉。视觉可告诉我们关于物体的形状和结构、大小与距离、亮度和光线、颜色和运动等信息，是人获得外界信息的重要渠道。下面介绍一下视觉实验中的相关变量。3.1视觉刺激3.1.1可见光(visible light)在一般情况下，引起视觉的刺激物是光。光是一种电磁波，引起人类视觉的电磁波称可见

17、光。可见光的波长范围大约是380毫微米(紫色)到780毫微米(红色)，毫微米即十亿分之一米(nm或m)。光波在极其广泛的电磁波范围内只占很少的一部分。视觉刺激用物理学的名词描述比用心理学的名词更为恰当。适宜的不同波长的光波刺激视觉感官，就引起一定的视觉，即颜色的感觉：红、橙、黄、绿、蓝、青、紫，而同一个颜色的主观感觉(如红色)在光谱上具有很大的范围。用下表来表示：表（1）光谱颜色波长及范围颜色波长区域（m）颜色波长区域（m）紫380420黄560590蓝420450橙590620青450490红620780绿490560光具有三维特征：波长、纯度与振幅。与此相对应的有三维心理特征：不同波长引起

18、人们不同的色调的感觉；纯度是光波成分的复杂程度，它引起的视觉反应是饱和度；振幅是光的强度或能量单位，它引起的视觉维度是明度。3.1.2单色光在日常生活中，我们通常看见的都是复合光即多色光，但实验的时候需要单色的光源。单色光的获得途径有：用三棱镜将白光折射分离，用其中某一种单色光；用滤光片来获得某波段的色光，比如单色光滤光片就可以精密地控制波长；应用有色表面，一些颜料能吸收一些光带而反射另一些光带，反射的光带通常比滤光片的光带要宽。3.1.3单色光的物理测量(1)光通量(1uminous flues) 这是在单位时间内发出的光能量，用表示，单位简称是lm (流明)。(2)光强度(1uminous

19、 intensity) 这是指光源在给定方向上单位立体角中发射的光通量，用I来表示，单位简称是cd(坎德拉)，lcd表示在单位立体角内辐射出llm的光通量。光强度的测量，是利用人眼对光强的感受性相当敏锐这一特性进行的。人的眼睛对光的感受性非常敏锐，虽然不能定量地判断其强度，却能相当准确地评定两个光刺激的强度是否相等。研究者据此还设计了目视光度计以测量光源的光强度。(3)光照度(illuminance) 这是从光源照射到单位面积上的光通量，用E来表示，单位简称为lx(勒克斯)，它是llm的光通量均匀地分布在1平方米表面上所产生的光强度。例如，满月在地面上产生的光照度是0.21x，而晴朗的夏天阳光

20、良好的室内光照度是1005001x。(4)光亮度(1uminance) 指一个表面的明亮程度，即每单元面积上反射出来的光通量，用L来表示。亮度计测量的是物体反射的亮度，白纸能吸收20的光而只能反射80，黑纸只反射投入光的3，只有反射出来的光才能落到人的眼睛上。亮度的衡量有各种不同的单位。如果用光强度来表示，单位是nit(尼特)，另外，还可以用1sb(熙提)= 来换算；如果用光通量来表示，则有1asb(阿波熙提)=，还可以用1L(朗伯)= 与lmL(毫朗伯)= 来换算。(5)反射系数(reflectance factor) 这是某物体表面的流明数与入射到此表面的流明数之比，用R来表示。由此可以看

21、出，照度是入射光，亮度是反射光。亮度和照度还可以通过公式进行换算，即亮度=反射系数*照度。除了反射系数以外，还要用到投射系数表达各种物质的流明数，透光系数()=某物质透过的流明数/入射到该表面的流明数。对可见光的物理特性的测定是进行视觉研究的有用手段，实验室的常备仪器应该有亮度计、照度计等。3.1.4视觉实验中常用的表示方法(1)视网膜照度 视觉实验中用它来表示刺激的物理强度。光线进入眼睛的量与瞳孔面积成正比，用物理亮度nit和瞳孔面积的乘积表示网膜被刺激的程度，其单位是treland(楚兰德)，即楚兰德=刺激强度()X瞳孔面积S()。楚兰德表示的是刺激，可以使进入视网膜的光量进行比较。(2)

22、光强度级 分贝(dB)。研究适宜刺激的物理量的光强度范围很大，通常可达12个数量级()，因为眼睛所接受的范围如此大，一般就用对数来表示。光强度级分贝为：，这里的 在一般情况下是 (尼特)，这个参照光强度相当于暗适应时人的眼睛所能检测到的最小光强，就是视觉的绝对阈限。3.2 视觉研究中的变量变量是在性质、数量上可以变化、操纵或与测量的条件、现象或特性。在心理学的实验情境中，主试者必须考虑三类变量：已知的对有机体的反应发生影响的变量叫自变量，它是由实验者操纵、掌握的变量；由实验者观察的或记录的变量叫因变量；在实验中应保持恒定的变量叫控制变量。下面分别来叙述这三种变量。3.2.1自变量 在视觉实验中

23、，哪些受实验者操纵的因素会对被试的反应产生影响呢?从视觉刺激呈现的特征可以看出有以下几类：（1）刺激 视觉中的物理刺激是光，那么刺激变量就是光及其特性演化出的不同效果，比如，各单色光、系列亮度、照度等。另外还有各维度的不同组合，从时间上讲，有呈现频率的不同；从空间上讲，有不同性质的光的组合以及不同的观测距离等。因为视觉的研究相对于其他感觉的研究要更深入一些，因此现今的视觉实验对仪器的要求很高，以确保对刺激的精确的定量。（2）背景 刺激和背景是作为一个整体呈现的，背景条件的变化也影响着被试的反应，因此，背景也可以作为一个自变量。比如，背景的颜色、亮度等。（3）被试特征 研究个体差异是心理学研究的

24、主要内容之一，视觉研究也不例外。比如。视敏度、辨色力、性别、年龄、机体状态等；此外，还有即时的实验条件如单视野等。3.2.2因变量 因自变量的变化而产生的现象变化或结果称为因变量。它是由实验者观察的或记录的变量。因变量依赖于被试的行为。视觉实验中的因变量相对于刺激变量的精确而言是比较粗糙的，要经过处理才能运用到结果中。尤其是对一些非量化的判断反应，如在颜色后像的研究中用口头报告法做出的反应，由于被试是根据主观经验得到的现象报告结果，那么都需要汇总处理而间接地获得某些数据资料。此外，在通过仪器记录被试的反应量时，一定要注意操作技术以保证精确。3.2.3控制变量控制变量是指实验研究中除所规定的自变

25、量以外的一切能够影响实验结果的变量。这些变量又称无关变量，需要在实验中加以严格控制。控制变量是潜在的自变量，在实验个应该使控制变量保持恒定。控制变量也是一种不变的变量，因为实验者对它作了控制。控制无关变异是心理实验的重点，否则变异就会伴随着自变量影响反应的结果，以至于我们不能分辨被试的反应究竟是自变量引起的还是无关变量引起的。视觉功能的特点提醒我们应该注意刺激时间、面积在视网膜作用点产生的累积效应，如长时间的参加视觉实验使视觉的功能发生变化，像视力降低、明适应与暗适应对后续实验的影响等。视觉实验是很精细和敏感的，稍有失控就会使实验失败。4视觉的心理物理实验的分类心里物理学发展到今天，可以分为两

26、个阶段：古典心理物理学、现代心理物理学。根据这两个时期的研究成果，视觉心理物理实验主要分为以下两大类。阈值和匹配实验：主要用于测量刺激的微小变化与视觉感受性之间的关系。它适用于测量视觉刺激的灵敏度和可试探性。分度实验：用以测量知觉的大小与物理刺激间的关系，它适用于定量分析刺激间的关系。例如，在色貌研究中，可以用分度实验的方法来确定物理测量量的量化关系，如三刺激值X、Y、Z与知觉量明度、彩度和色调之间的关系。4.1阈值实验方法阈值实验技术主要用来测定刺激的恰可察觉的变化，有时也被称为恰可察觉差，它得到的是观察者对于刺激变化量的感知性。阈值可分为绝对阈值和相对阈值两种，绝对阈值表示刺激从无到有时人

27、眼的恰可视察性；差异阈值表示刺激从一定量的基础上变化时人眼的恰可察觉性。阈值实验在设计时，主要考虑尽量减小观察者自身的主观性对结果的影响，阈值实验的数据处理采用最多的是概率分析的方法。根据传统的阈值理论和信号检测论，阈值实验中测定阈值的方法主要分成两大类。4.1.1传统心理物理学测定阈限的方法传统的阈限理论认为：作用于感受器的一个刺激, 引起一系列的冲动, 在大脑中枢发生了一种效应。这种中枢效应的大小将随着刺激的强度、感受器的感受性、传导通路的效率和中枢的活动水平背景而发生变化。如果在一次实验中，中枢效应的大于一定的最小量，中枢将发生冲动，产生一个“我感受到了”，引起这个最小效应的刺激，就是这

28、一次实验中的刺激阈限。阈限是一个固定点，被试的判断连续对应于反映的连续对应于反应的连续，当刺激超过最小量阈限时，被试就判断“有”；当刺激低于阈限时，被试就判断“无”。（1）极限法极限法是一种测定阈限的直接方法, 又称最小可觉差法、最小变化法等, 极限法的特点是将刺激按递增或递减两个系列交替变化组成, 每一个系列的刺激强度包括足够大的范围, 以间隔相等的小步变化, 能够确定从一类反应到另一类反应的瞬时转换点或阈限的位置。一般说来, 各系列刺激是由大到小（递增）、由小到大（递减）按阶梯式顺序变化的。刺激的范围在阈限以上或以下一段强度距离, 实验时一般确定1520个检查点，每个相邻检查点的间距可根据

29、实验仪器的精确度和所测定的感觉的性质决定。一般的说，检查点的距离小一些, 测定的结果会更精确一些。至于反应变量指标、结果处理及具体方法步骤可随测定的内容而定, 极限法即可用于测定绝对阈限, 也可用于测定差别阈限。（2）平均差误法平均差误法又称调整法、再造法、均等法, 是最古老且基本的心理物理学方法之一, 它最适合测量绝对阈限, 但也可以测量差别阈限。平均误差法的特点是呈现一个标准刺激, 令被试再造、复制或调节一个比较刺激, 使它与标准刺激相等。比较刺激也可由实验者调节, 由被试判断。这个方法是要求被试判断什么时候比较刺激和标准刺激相等。被试判断为与标准刺激相等的比较刺激, 并不总是一个固定的数

30、值, 而是围绕着一个平均数变化的一组数值。这个变化范围就是不肯定间距, 不肯定间距的中点就是主观相等点。通过对不肯定间距和主观相等点的测量, 就可以估计差别阈限。（3）恒定刺激法恒定刺激法又叫正误法、次数法, 它是心理物理学中最准确、应用最广泛的方法, 可用于测定绝对阈限、差别阈限和等值, 还可以用于确定其他多种心理值。此法的特点是：根据出现次数来定阈限, 即以次数的整个分布来求阈限。具体做法如下：（1）主试从预备实验中选出少数刺激, 一般是57个, 这几个刺激值在整个测定过程中是固定不变的；（2）选定的每种刺激要向被试呈现多次, 一般每种刺激呈现50200次；（3）呈现刺激的次序事先要随机安

31、排, 不让被试知道。用以测量绝对阈限, 无须标准值, 如用以测量差别阈限, 则需要一个标准值；（4）此法在统计结果时必须求出各个刺激变量引起某种反应（有、无或大、小）的次数。用恒定刺激法测量阈限时, 在实验前需要选定刺激。所选定的刺激最大强变应为每次呈现几乎都能为被试感觉到的强度, 它被感觉到的可能性应不低于95。所选定的刺激最小强度应为每次呈现几乎都不能为被试感觉到的强度, 它被感觉到的可能性应不高于5。选定刺激范围后, 再在这个范围内取距离相等的刺激, 每种刺激强度呈现不得少于次50次。恒定刺激法虽然要求大量的实验次数, 但每次实验只用很短的时间, 因此是最节省时间的方法, 并且测得的阈限

32、也更准确。4.1.2信号检测论测定阈限的方法信号检测论认为：被试觉察信号有一个中枢神经效应, 这种效应随着每次刺激呈现, 时刻都在变化。信号总是在噪音的背景上产生, 信号的影响和噪音的影响都被假定为正态分布, 这两种分布由于信号比噪音微弱增强, 故有一定的重叠, 而使信号和噪音都可能引起同一程度的感觉。人类觉察是建立在统计决策论的基础上, 就是说被试选择一个标准, 当给定的刺激超过这个标准时, 被试就反应“有”, 否则则说“无”, 而这个反应标准的选择由很多因素（如感受性、利益得失、动机、态度、情绪、意志等）决定。这个反应标准就是阈限。（1）有无法有无法是信号检测论测定阈限的基本方法。主要步骤为, 主试呈现刺激后, 让被试判定所呈现的刺激中有无信号, 并予以口头报告, 被试只做“有”或“无”的简单反应。主试要把实