信号检测论

关于人们在不确定的情况下如何作出决定的理论

信号检测论（Signal Detection Theory，简称SDT），是一种心理物理法，是关于人们在不确定的情况下如何作出决定的理论。它是信息论的一个重要分支。在SDT实验中通常把刺激变量看作是信号，把刺激中的随机物理变化或感知处理信息中的随机变化看作是信号的噪声。常以SN（信号加噪声）表示信号，以N表示噪声。信号和噪声是信号检测论中最基本的两个概念。在心理学中，信号可以理解为刺激，噪声就是信号所伴随的背景。

简介

信号检测论最初是信息论在通讯工程中的应用成果，专门处理噪声背景下对信号进行有效分离的问题，其过程本质上是一种统计决策程序。在信号检测论引入心理学研究领域后，一些原先的基本概念、思想和假设被移植到心理物理学情境中来。

信号和噪声是信号检测论中最基本的两个概念。在心理学中，信号可以理解为刺激，噪声就是信号所伴随的背景。

检测论

是一种把通讯系统中雷达探测信号的原理用于人的感知觉研究的理论。它是特纳和斯威茨在1954年引入心理学的。信号检测论的提出改变了传统上人们对感觉阈限的理解。

20世纪50年代，实验心理学受行为主义思想的支配，以刺激一反应（S—R）为核心，认为所有的行为都是机体对刺激的反应，心理学只能研究那些能够直接观察和记录的外显反应，心理科学的任务就是把刺激与特定刺激有关的行为鉴别出来，发现对S—R联结可能有影响的各种因素。起先，行为主义原则似乎很管用，在感觉阈限、语词学习、比较心理等研究领域取得了一系列重要成果。可是，心理学家们渐渐意识到，人类行为是一系列复杂事件的最终表现，远不是用简单的S—R就能说清楚的。这一改变很大程度上要归因于信号检测论的发展。信号检测论把外部世界的刺激能量作为主体探测的对象，把人的内部表征看作是外部刺激与以前经验共同作用的结果。它的引入为假设刺激能量与内部表征间的关系提供了必要的联系环节。

发展起源

是从电子工程学和统计决策论中发展起来的。第二次世界大战期间，工程师们创立了一种用来说明雷达设备搜寻探测飞行物过程的信号检测理论。特纳和斯威茨认为，雷达系统搜索目标的过程和人类寻找信号进行反应的过程是类似的。例如，被试从一个明亮的背景中发现一个光点和雷达在空中搜索到目标本质上并没有什么区别，而这个过程所涉及的实际上也就是传统物理学研究的阈限问题。信号检测论对传统心理学最大的冲击在于它指出，被试判断刺激是否出现不仅取决于信号的强度，还要看作业的性质以及被试对判断后果的认识。后来的研究证明，被试探测到信号的概率会随着判断后主试提供的奖惩情况而发生变化。

原理

可先设想一下雷达兵在前哨工作的情形。他的任务是每天几小时盯着雷达显示器，观察屏幕上是否出现代表敌方飞行物的光点。显示屏上出现光点有两种可能性，一种可能是雷达探测到了敌机的行踪，另一种可能是有鸟类或其他飞行物从雷达探测区域经过。所以，显示屏上呈现的刺激（光点）有两种不同的含义，一种代表了信号（信号是电子通讯术语，指电子脉冲的有规律波动。在信号检测论中，信号指的是要求被试辨别的刺激，在这里就是指敌机），另一种则是噪声（噪声在电子通讯中指的是任何对信号的干扰。在信号检测论中，噪声是信号出现的刺激背景，噪声可以是内源的，如人体内的自发神经活动，也可以是外源的）。雷达兵把光点判断为信号还是噪声，有四种不同的情形。如果雷达探测到的是敌机，雷达兵及时发出警报，通知高炮部队或空军拦截，就是“击中”；如果这时雷达兵没有把显示屏上的光点判断为信号，就是“漏报”；如果雷达探测到的只是一只飞鸟，雷达兵却把它当作敌机（信号）看待，就是“虚报”；如果这时雷达兵正确地把它判断为其他飞行物（噪声），那就是“正确拒斥”。

在这个模型基础上，我们可以开始从在模糊的背景中探测信号的角度理解人类的感觉阈限。阈限测量时，除了刺激本身的强度外，至少还有两个因素也会影响被试判断的结果：一个是被试对信号出现的期望的程度，另一个是被试作出判断后获得的奖惩的情况。在实战状态下，雷达兵如果作出“漏报”或“虚报”反应，会造成严重的后果。

在实验室里我们可以对这两个因素随意进行操纵，通过支付矩阵，测量奖励或惩罚对信号检测的影响。例如，有一个实验研究者要求被试在视野中探测一个随意出现的目标，规定如果被试的反应是击中或正确拒斥，给予1角奖励，如果被试漏报或虚报了信号，就扣除1角作为惩罚。这是一个对称的赏罚计划，如果我们改变一下赏罚计划，把击中反应的奖励提高到5角，我们可以想象被试将大大提高他作出“信号出现”判断的概率。相反，如果我们把正确拒斥的奖励提高到5角，我们将会看到更多的“信号不出现”反应。

标准阈限

信号检测实验中另一个重要的因素是刺激的强度，一个强的、清晰的信号比一个弱的、模糊的信号更容易被探测到。信号检测论认为感觉是一个连续的过程而不是孤立的两部分，绝对的感觉阈限并不存在。阈限实际上是一个受很多因素影响的点，反映了被试的反应标准。实验中，被试最主要的任务是区分信号和噪声。为了判断信号是否出现，被试必须设定一些判断的标准。当信号的强度超过判断标准，被试会报告他感觉到了刺激；当信号的强度低于判断标准，被试则会报告他没有感觉到刺激出现。这个过程很像统计学家设定拒绝虚无假设的标准（显著性水平），他替自己定义了在多大程度上愿意接受信号的概率。判断标准的高低取决于包括支付矩阵在内的其他许多因素。

除了作为很多心理学领域研究的重要方法之外，信号检测论还为我们提供了一条从信息加工角度重新审视感知觉过程的途径。它告诉我们，人类对客观世界的知觉是外部刺激和内部状态共同作用的结果。信号检测论及其在心理学中的应用为现代心理学家在传统心理物理学和认知心理学之间架起了一座桥梁。

分布情况

信号检测论假定信号和噪声是两个常态分布。以被试在暗室中探测一个光点为例，虽然暗室里除了信号没有其他光源，但被试体内自发的神经活动仍可成为干扰信号判别的“噪声”。噪声有时强，有时弱，但从总体上看可以假设为一个常态分布。此外，附加在噪声背景上的信号也是一个感觉强度为尺度的常态分布。假设被试的判断标准是在标准点上，噪声分布下阴影的部分就是理论上虚报的概率。两个分布之间的距离d’取决于信号的相对强度：信号越强，信号分布与噪声分布的重叠程度越小，信号越弱，两个分布重叠的区域就越大。d’值等于两个分布均数的标准分数之差。反应标准对信号的判别是非常重要的，如果被试的判断标准很低（靠向感觉连续体的左侧），他会作出较多的虚报反应；如果被试很保守，判断标准定得很高（靠向感觉连续体的右侧），他就会漏掉很多信号。一般来说，被试选择的标准点总是在既可最少漏报信号，又可最大程度避免虚报的地方。

操作特点

随着噪声与信号的呈现比率的变化，被试的判断标准也会发生相应的改变，影响他的击中和虚报的反应率。把击中和虚报的反应概率画到一张图上，就构成了接受者操作特点曲线。ROC曲线说明，被试在实验过程中可以采用不同的判断标准。判断标准较低时（标准1），击中的概率大约是90%，而虚报的概率约为60%。相反，在判断标准较高的状态下（标准5），击中率约为38%，虚报率仅11%。ROC曲线的形状还取决于d’值，d’值则与信号的特点有关。随着d’增大，击中和虚报率也

同时上升。当d’趋近于零时，击中和虚报率接近相等或机遇水平。

实验证明，一个被试在实验中的判断标准可以根据主试对判断结果的奖惩或信号分布状况作各种改变，但d’是稳定的，所以d’可以作为被试辨别信号能力的指标。

研究方法

以前，信号检测论主要用于感觉（视觉、听觉）研究。后来，信号检测论成功地应用到学习、变态心理学、反应时和记忆等研究领域。认知心理学家最有兴趣的是把信号检测论用于记忆研究。艾根最早用信号检测论的方法研究再认，他向被试呈现一些语词材料，然后要求被试从一大堆语词中分辨出哪些是新的（未呈现过）刺激，哪些是旧的（呈现过）刺激。击中和虚报的概率受若干变量的影响，其中有学习的程度、新旧刺激的相似程度、被试的判别标准等。艾根的研究证明，用信号检测论的术语描述再认是有效的。后来，有很多心理学家引用了艾根的研究方法。

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