Кривые рабочей характеристики приемника (РХП)

Теория обнаружения сигнала (ТОС)

В экспериментально найденных значениях абсолютного порога, представленных на рис. 2.2, есть стимулы определенной интенсивности, которые наблюдатель ино­гда обнаруживает, а иногда — нет. Иными словами, стимулы одной и той же ин­тенсивности порой фиксируются, а порой — нет. Это изменение распознаваемости стимулов одной и той же интенсивности красноречиво свидетельствует об измене­нии величины порога во времени. Подобный вывод — серьезный вызов традиционному представлению о сенсорном пороге как о проявлении (воплощении) прин­ципа «все или ничего», а именно утверждению о том, что точная величина интен­сивности отличает распознаваемые стимулы от тех, которые нельзя распознать.

Чтобы понять эту проблему порога, следует вспомнить, что во многих житей­ских ситуациях мы зачастую не уверены в том, перешли ли порог чувствительно­сти, т. е. правильно ли восприняли слабый или пограничный сигнал. Мы сталкива­емся с многочисленными ситуациями, связанными с внешними раздражителями, которые — если говорить о вызываемых этими раздражителями ощущениях — не­однозначны, но, как правило, принимаем в отношении них правильные решения. Разве мы действительно слышим телефонный звонок, когда косим траву на лужай­ке, или стук в дверь, стоя под душем? И правда ли, что мы видим неяркую звезду в ночном небе?

В качестве примера такой неопределенной (неоднозначной) ситуации пред­ставьте себе, что вы в одиночестве с нетерпением ждете возвращения подруги. Вы знаете, что сигналом, возвещающим ее возвращение, станут шаги на лестнице. С точки зрения психофизики это означает, что вы будете прислушиваться к опре­деленному звуку — к звуку шагов. Поскольку этот звук возникнет за пределами комнаты, он будет слабым, слышным на фоне других постоянных звуков — улич­ного шума и шума, доносящегося из других комнат. В подобной ситуации вы либо можете услышать звук шагов, когда он действительно раздастся, либо вам покажет­ся, что вы его слышите, когда никого не будет поблизости. Разумеется, вы старае­тесь создать некий сенсорный образ звука шагов. Вы также пытаетесь разобраться в разных звуках — в тех, которые вы действительно слышите, и в тех, которые вам кажутся. Вполне может случиться, что когда действительно раздастся звук шагов, вы не услышите его, но может быть и по-другому: вы будете уверены, что слышите шаги, — возможно, потому, что вам очень хочется их услышать, — однако то, что вы приняли за звук шагов, будет всего лишь частью звукового фона, создаваемого улицей.

Этот пример показывает, что особенности восприятия слабых раздражителей, создают вполне определенные проблемы для традиционных представлений о по­роге чувствительности. Основаны ли наши выводы исключительно на действии раздражителей или на них влияют наши психологические установки? В этом раз­деле представлен подход к оценкам ситуаций, в которых наша предрасположен­ность к принятию определенных решений создается некими психологическими факторами, такими, которые не принимаются во внимание традиционными пред­ставлениями о пороге чувствительности.

Чувствительность и искажение ответа

Поскольку порог восприятия — величина постоянная, и особенно ярко это прояв­ляется в случае слабых или пограничных раздражителей, в обнаружении слабых раздражителей (сигналов, как их принято называть в данном контексте) помимо способности наблюдателя к обнаружению, или чувствительности, могут иметь зна­чение и другие факторы. К ним относятся и уровень внимания наблюдателя в ходе эксперимента, и мотивация выполнения задания, связанного с обнаружением сиг­налов, и ожидание присутствия последних, и другие аналогичные несенсорные факторы, которые в совокупности принято называть искажением ответа и кото­рые могут влиять на вывод наблюдателя относительно присутствия или отсутствия сигнала. Иными словами, когда, выполняя задание, связанное с обнаружением сигнала постоянной интенсивности, наблюдатель отвечает то «Да», то «Нет», мы не можем с уверенностью сказать, связано ли это с некими изменениями его чув­ствительности или это всего лишь результат влияния на ответ таких несенсорных факторов, как нестабильность внимания или мотивации. Иногда наблюдатели даже говорят, что обнаруживают сигнал, хотя на самом деле вовсе не уверены в этом.

Обнаружение сигнала и шум

Почему обнаружение слабого сигнала дает такие нестабильные результаты? Что является источником подобной нестабильности? Рассмотрим, что происходит с сенсорной системой при воздействии на нее слабого внешнего раздражителя, та­кого, например, как тусклый свет или негромкий звук. Если раздражитель доста­точно интенсивен, в сенсорных рецепторах на нейронном уровне могут возникнуть потенциалы действия, способные повлиять на нейронную активность мозга. Эта активность сигнализирует нервной системе наблюдателя, что появились свет или звук. Однако даже при полном отсутствии внешних раздражителей и для сенсор­ных систем, и для мозга характерна непрерывная спонтанная нейронная актив­ность. Эта спонтанная сенсорно-нейронная активность частично является резуль­татом неупорядоченного возникновения потенциалов действия; ее сравнивают с шумовым фоном в радиоприемнике или со «снегом» на телевизионном экране и считают некой формой постороннего фонового шума (Ш) в сенсорной системе. (Следовательно, в данном контексте слово шум никоим образом не связано со слу­хом.) Помимо спонтанной сенсорно-нейронной активности нейронный шум может также включать непредсказуемые, случайные последствия усталости и влияние таких несенсорных причин искажений ответа, как уровень колебания внимания наблюдателя или его мотивации выполнения задания, связанного с обнаружени­ем сигнала.

Хотя этот шум и не является частью внешнего раздражителя, или сигнала, ко­торый нужно обнаружить, возникая в неоднозначной (неопределенной) ситуации, он способен существенно повлиять на обнаружение слабого сигнала. В типичном эксперименте по обнаружению сигнала при каждом его предъявлении наблюдатель пытается понять, являются ли испытываемые им ощущения только результатом воздействия фонового шума (Ш) или на фоне этого шума он воспринимает и сиг­нал (т. е. он воспринимает сигнал + шум, СШ).

Кривые распределения сенсорных эффектов (сенсорного влияния) шума на сенсорную систему наблюдателя представлены на рис. 2.3.

Знакомая колоколообразная кривая (рис. 2.3, а) показывает, что уровень сен­сорной активности, являющейся результатом одного только шума в сенсорной сис­теме, изменяется весьма существенно. На абсциссе представлен уровень сенсорной активности (от низкой до средней и высокой), на ординате — частота возникнове­ния разных уровней сенсорной активности (от «редко» до «часто») Иногда уровень

 

Рис. 2.3. а - распределение уровней сенсорной активности, вызванной воздействием на сенсорную систему только одного фонового шума Ш. Изменение уровней варьируется в интервале «редко» - «часто». Наиболее часто возникающий уровень сенсорной активности - средний, и ему соответствует участок кривой вокруг средней точки X. б- распределение уровней сенсорной активности, вызванной СШ. Соответствует условиям, при кото­рых ко всем значениям Ш, представленным на а, добавлен сигнал, в -распределение уровней сенсорной ак­тивности, вызванной распределением Ш и С. Средний сенсорно-нейронный эффект Ш выше, чем средний эф­фект Ш благодаря наложению эффекта СШ на эффект Ш. Однако сенсорные эффекты одного Ши Шперекры-ваются и вместе производят некие сенсорные эффекты, которые представлены заштрихованным участком и ко­торые могут быть следствием распределения либо Ш, либо СШ

шума минимален, иногда — максимален, однако чаще всего его интенсивность на­ходится на среднем уровне, который обозначен Х_ш. Если же внешнее событие (т. е. звук или свет) стимулирует сенсорный рецептор, то в результате этого возникает сенсорная активность (сигнал), которая добавляется к действию фонового шума. Более конкретно эта мысль может быть сформулирована следующим образом: если сигнал, имеющий постоянную интенсивность, накладывается на все возможные уровни произвольно изменяющегося фонового шума, суммарное влияние шума и сигнала (СШ) на сенсорную активность подчиняется закону нормального распре­деления и описывается колоколообразной кривой, представленной на рис. 2.3, 6. Так же как и в случае действия одного лишь фонового шума, уровень сенсор­ной активности СШ тоже изменяется; иногда он высок, иногда — нет, но чаще на­ходится на среднем уровне (точка Х_с+Ш на рис. 2. 3, б), который — и это очевидно — выше среднего уровня сенсорной активности, вызываемой одним фоновым шумом (точка Х_ш на рис.2.3, б смещена вправо по отношению к точке Х_ш на рис. 2.3, а).

 

 

Рис. 2.4. Частота сенсорных эффектов, производимых Ш и СШ, и значение критерия,

разработанного наблюдателем

На абсциссе представлена гипотетическая «точка принятия решения», или значение критерия (Р), при котором наблюдатель решает, ответить ли ему «Да» или «Нет» на вопрос о присутствии сигнала в дан­ном эксперименте. Критерий может иметь любое значение. В данном гипотетическом случае все сигна­лы, влияние которых лежит ниже критериального сенсорного уровня (т. е. слева от критерия), останутся необнаруженными; все сигналы, влияние которых лежит выше уровня сенсорного критерия (т. е. спра­ва от критерия), будут распознаны, и будет дан положительный ответ. Для гипотетического критерия также указаны участки, соответствующие правильным и неправильным ответам

Однако, как следует из рис. 2.3, в, сенсорные эффекты 777 и СШ перекрываются. Иными словами, они вместе влияют на сенсорную систему таким образом, что при попытке определить, присутствует ли слабый сигнал, наблюдатель должен решить, является ли данный конкретный уровень активности его сенсорной системы реак­цией только на Ш — на нерелевантный эксперименту фон — или же на CШ.

Критерий. Задание, выполняемое наблюдателем в типичном эксперименте, связанном с обнаружением сигнала, заключается в том, чтобы определить, являет­ся ли испытываемое им ощущение, определяемое уровнем сенсорной активности, результатом действия сигнала (СШ) или только одного шума (Ш). Согласно тео­рии обнаружения стимула (ТОС), наблюдатели, решая вопрос о том, присутствует сигнал или нет, вырабатывают для себя некий «проходной балл», или внутренний критерий (обычно обозначаемый греческой буквой /3) результирующей сенсорной активности. Один такой критериальный уровень представлен на абсциссе рис. 2.4.

В соответствии с критерием наблюдатель ответит «Да» (подтверждая присут­ствие сигнала), если уровень сенсорной активности, представленной на абсциссе, превышает эту точку, и «Нет» (отрицая присутствие сигнала), если сенсорный эффект ниже ее. В обоих случаях наблюдатель может ошибиться. Он может отве­тить утвердительно, когда на самом деле сенсорный эффект является лишь резуль­татом воздействия одного только шума Ш (на рисунке это неправильный положи­тельный ответ). Аналогичным образом наблюдатель может ответить, что сигнала нет, хотя на самом деле он присутствует (неправильный отрицательный ответ). Это происходит потому, что, как следует из рис. 2.3, в, сенсорные эффекты СШ и Ш перекрываются, лишая наблюдателя возможности выбрать сенсорный критерий, позволяющий правильно реагировать на каждое предъявление сигнала. Фактиче­ски форма участка, образующегося за счет перекрывания кривых распределения СШ и Ш на рис. 2.3, в и 2.4, свидетельствует о том, что в некоторых экспериментах по СШ (когда сигнал действительно присутствует) сенсорное влияние на наблю­дателя может быть меньше, чем сенсорное влияние одного только шума.

Матрица результатов. Как было сказано при описании рис. 2.4, в любом кон­кретном эксперименте по обнаружению сигнала наблюдатель должен решить, яв­ляется ли сенсорная активность результатом действия СШ или Ш, и его решение зависит от критерия, на который он в данный момент ориентируется. Если уро­вень сенсорной активности ниже его критерия, наблюдатель ответит «Нет»; если уровень сенсорной активности превышает критерий — будет дан положительный ответ.

Как следует из данных табл. 2.3, возможны четыре варианта этих ответов. По­падание — это положительный ответ и правильное обнаружение сигнала; ложная тревога — это положительный ответ при отсутствии сигнала; промах — это отри­цательный ответ, данный тогда, когда сигнал предъявлен, и, наконец, правильное отрицание — это отрицательный ответ в тот момент, когда сигнала нет. Как пока­зано на рис. 2.4, ложные тревоги и промахи — это ошибки, возникающие вследствие перекрывания кривых распределения сенсорных эффектов СШ и Ш и их связи с критерием, установленным наблюдателем для принятия решения о том, присут­ствует сигнал или нет.

Таблица 2.3

Экспериментальное обнаружение сигнала. Матрица сигнал-ответ для наблюдателя, отвечающего «Да» или «Нет» на каждое предъявление сигнала

Влияние критериев: ожидания и мотивация. В соответствии с ТОС способ­ность обнаруживать слабые сигналы изменяется во времени, поскольку на поведе­ние наблюдателя влияют несколько относительно не зависящих друг от друга фак­торов. Один из них — это изменение уровня шума в самой сенсорной системе. Иными словами, сенсорные эффекты за счет изменения фонового шума или от постоянного сигнала в сочетании с изменяющимся фоновым шумом в период вре­мени между двумя предъявлениями пограничных сигналов вызывают изменения способности обнаруживать их. (Это утверждение иллюстрируется колоколообразными кривыми, представленными на рис. 2.3.)

Второй фактор, влияющий на поведение наблюдателя, — его ожидания, связан­ные с присутствием сигнала. В отличие от традиционных психофизических мето­дов, в которых сигнал предъявляется при каждой попытке (в каждом эпизоде), в эксперименте по обнаружению сигнала вероятность того, что он будет предъяв­лен в данный момент, может изменяться. Изменение частоты предъявления сиг­нала создает условия для несенсорного искажения ответа—ожидания, — которое влияет на уровень выбираемого наблюдателем критерия Д и возникновение подоб­ной ситуации в ходе эксперимента вполне возможно.

Иными словами, на ожидание появления сигнала в определенный момент экс­перимента можно повлиять, варьируя вероятность, или частоту, с которой сигнал предъявляется наблюдателю. Если сигнал предъявляется практически на всех эта­пах эксперимента, наблюдатель может почти всегда ждать его появления. В резуль­тате он выберет относительно необременительный для себя критерий (на рис. 2.4 это сдвиг критерия влево). Следствием этого становится тенденция давать поло­жительный ответ даже при отсутствии сигнала. В подобной ситуации вероятность попаданий весьма велика, но благодаря ожиданиям наблюдателя и вероятность ложных тревог будет выше, чем она была бы, не имей наблюдатель подобных ожи­даний. Напротив, если сигнал предъявляется редко, у наблюдателя появляется тен­денция (склонность) давать отрицательные ответы, и он отвечает «Нет» даже то­гда, когда сигнал присутствует (на рис. 2.4 это сдвиг критерия вправо). В этом случае результатом будет уменьшение числа ложных тревог, но большее число промахов. В табл. 2.4 представлены относительные количества разных ответов в экспери­менте, в котором сигнал присутствовал в 90 % случаев и отсутствовал в 10 % случа­ев. (Обратите внимание на то, что эпизоды, в которых сигнал отсутствует, в экспе­риментах по обнаружению сигнала обычно называются ловушками (эпизода­ми-ловушками.))

В табл. 2.5 представлены относительные количества разных ответов в эксперимен­те, в котором сигнал присутствовал в 10 % эпизодов и отсутствовал в 90 % эпизодов. Результаты предъявления одного и того же сигнала свидетельствуют о том, что одно лишь изменение соотношения сигналов и ловушек существенно влияет на ожидания, а следовательно, и на поведение наблюдателя: соотношение попаданий и ложных тревог систематически изменяется. Иными словами, изменения в соот­ношении попаданий и ложных тревог можно связать с изменениями критерия Д

 

с которым наблюдатель подходит к соотношению предъявлений сигнала и лову­шек (в данном случае — благодаря ожиданию). Разница между соотношениями от­ветов, представленными в табл. 2.4 и 2.5, свидетельствует о том, что изменение об­наружения постоянного сигнала происходит даже тогда, когда его интенсивность не изменяется. А это значит, что в данном случае изменение поведения наблюдате­ля является следствием изменения его ожиданий, связанных с появлением сигна­ла, а не изменений самого сигнала.

Второй несенсорной причиной искажения ответа, оказывающей влияние на уровень критерия Д является мотивация получения конкретного результата, на­пример заинтересованность наблюдателя в последствиях его ответа. Так, если у на­блюдателя есть серьезные основания обнаружить сигнал и постараться ни в коем случае не пропустить его, он, скорее всего, сообщая о сигнале, снизит уровень крите­рия /3; при этом у него возрастет количество ответов «Да» и попаданий (речь снова идет о смещении критерия на рис. 2.4 влево). Увеличение утвердительных ответов приведет и к увеличению числа ложных тревог. С другой стороны, использование более жесткого, консервативного критерия (что соответствует сдвигу критерия на рис. 2.4 вправо) увеличивает количество ответов «Нет». И хотя подобная страте­гия дает меньше ложных тревог, она также уменьшает и количество попаданий. Эксперимент, в котором критерий /3 становится объектом сознательного мани­пулирования, показывает, как мотивация наблюдателя может влиять на соотноше­ние попаданий и ложных тревог.

Представьте себе, что вы — наблюдатель, участвующий в следующем экспери­менте по обнаружению сигнала. Вам предстоит услышать или не услышать некий слабый звук и в зависимости от того, присутствует сигнал или нет, ответить «Да» или «Нет». Более того, ваш ответ имеет и определенные финансовые последствия, определяемые следующими вариантами оплаты.

1. За каждое попадание вы получаете 1 доллар. В этом случае вы будете стре­
миться каждый раз отвечать «Да», даже если сомневаетесь в том, что слыша­
ли сигнал.

2. За каждое попадание вы получаете 1 доллар, но одновременно каждая лож­ная тревога облагается штрафом в 50 центов. Вы по-прежнему будете стре­миться дать утвердительный ответ даже при отсутствии уверенности, но все-таки эта готовность будут несколько ниже, чем при условиях, которые опи­саны в п. 1 и при которых вас не штрафовали за ложную тревогу.

3. В отличие от условий оплаты п. 1 и 2 вы получаете по 50 центов за каждую удачу, но вас также и штрафуют на 1 доллар за каждую ложную тревогу. У вас появится тенденция отвечать осторожно и давать утвердительный от­ вет только при полной уверенности.

Обобщенные данные о некоторых экспериментально найденных соотношени­ях попаданий и ложных тревог для этих трех вариантов оплаты представлены в табл. 2.6.

То, что мы описали, есть изменение критерия /3 и аналогичное изменение пропор­ции попаданий и ложных тревог, соответствующее оплате труда. В зависимости от того, что именно ждет наблюдателя, — награда или штраф — один и тот же сигнал

 

 

Таблица 2.6 Соотношение попаданий и ложных тревог для трех вариантов оплаты

Соотношение ответов наблюдателя Варианты оплаты

Попадания Ложные тревоги

1. Один доллар за попадание 0,95 0,95

2. Один доллар за попадание и 50-центовый штраф 0,85 0,70
за ложную тревогу

3. 50 центов за попадание и штраф в размере 1 доллара 0,40 0,10
за ложную тревогу

может вызвать как положительный, так и отрицательный ответ, и характер ответа не зависит от чувствительности наблюдателя к сигналу. Следовательно, даже при выполнении такого относительно простого психофизического задания, как приня­тие решения о том, присутствует или отсутствует слабый сигнал, на поведение на­блюдателя существенно влияют несенсорные факторы, т. е. искажение ответа. Это делает понятным отсутствие абсолютного, легко определяемого значения порога. Более вероятно, что наблюдатель примет такой критерий ответа, который одновре­менно учитывал бы и интенсивность сигнала, и такие переменные несенсорного характера, как мотивация выполнения задания и ожидание появления сигнала.

Кривые рабочей характеристики приемника (РХП)

ТОС исходит из того, что нельзя определить величину абсолютного порога. Одна­ко можно одновременно оценить и чувствительность наблюдателя по отношению к предъявляемому сигналу, и уровень его критерия /З Информация о влиянии этих двух параметров на обнаружение сигнала может быть получена из анализа связи между относительным количеством попаданий и относительным количеством ложных тревог, которое, как мы видели, зависит от критерия. Обычно для этого на ординате откладывают относительное количество попаданий (положительных от­ветов на активность CUT), а на абсциссе — относительное количество ложных тре­вог (положительных ответов при отсутствии сигнала). Получающиеся при этом кривые, названные рабочими характеристиками приемника (РХП)¹, иллюстриру­ют связь между относительными количествами попаданий и ложных тревог при постоянной интенсивности сигнала. (Пример РХП, построение которой описано ниже, представлен на рис. 2.5.)

Термин РХП возник из представлений о том, что подобная кривая измеряет и описывает чувствительность наблюдателя при обнаружении сигнала. Рассмотрим, как РХП может описывать чувствительность наблюдателя по отношению к сигна­лу, интенсивность которого поддерживается на постоянном уровне.

¹ В иностранной литературе — RОС-кривые (receiver-operating characteristic), но в нашу литературу вошло как РХП, что представляется оправданным. — Примеч. науч. ред.

 

 

Данные табл. 2.7 показывают, как вероятность сигнала влияет на относитель­ное количество попаданий и ложных тревог в таком гипотетическом эксперименте, в котором интенсивность сигнала поддерживается на постоянном уровне. (Некоторые данные взяты из табл. 2.4 и 2.5.) Следовательно, если в эпизодах эксперимента по обнаружению сигнала последний почти всегда присутствует, наблюдатель де­монстрирует тенденцию к увеличению вероятности положительных ответов. В ре­зультате увеличивается относительное количество попаданий (в данном примере оно равно 0,95), и соответственно увеличивается количество ложных тревог (0,78). Напротив, если сигнал предъявляется только в 10 % эпизодов (т. е. если 90 % эпи­зодов — ловушки), то при той же самой интенсивности сигнала относительное ко­личество попаданий равно 0,28, а количество ложных тревог — 0,04. Если сигнал предъявляется редко — он действительно присутствует в 10 % эпизодов, — наблю­датель демонстрирует тенденцию к отрицательным ответам. В итоге при весьма небольшом относительном количестве ложных тревог (0,04) относительное коли-

Таблица 2.7

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: