Роль эталонов в психофизических измерениях

Разделы психологии: 
Высшее учебное заведение: 

Роль эталонов в психофизических измерениях // Вопр. психол. - 1985. - №4

Роль эталонов в психофизических измерениях

С.М. КОЗЛОВСКИЙ

В решениях XXV и XXVI съездов КПСС поставлены задачи дальнейшего повышения качества промышленных изделий, что с необходимостью включает значительное улучшение обучения работников отделов технического контроля, которые оценивают качество продукции, в особенности обучения их психометрическим методам оценки.

Указанные решения вызвали интенсивное развитие новых областей науки, в том числе и квалиметрии, задачей которой явилось создание методов измерения качества. Психология не могла, конечно, остаться в стороне от выполнения данного социального заказа. Существенную долю нагрузки должна была взять на себя и психофизика.

Дело заключается в том, что измерение качества значительной части изделий (в легкой и пищевой промышленности, в технике, кино и на телевидении) осуществляется субъективными, органолептическими методами. Развитие и совершенствование этих методов происходило в течение последних десятилетий в русле психофизики и получило название психометрических измерений.

Психометрические измерения проводятся на «психологическом пространстве». Это понятие неоднократно использовалось в литературе [2], [13], [14]. Хотя, как отмечает В.В. Налимов [10], оно метафорично, эта модель позволяет выполнять такие же вычисления, как и на физическом пространстве, поскольку «всякое математическое описание явлений реального мира всегда метафорично» [9; 46].

Основные исследования по установлению связи между результатами физических и психометрических измерений определенного параметра качества являются исследованиями проблем психофизики. На основе их решения в прикладной психофизике разрабатываются методы, позволяющие в ряде случаев осуществить переход от оценки качества изделия на психологическом пространстве к оценке физическими методами. Эта задача существенна как в технике кино и телевидения, так и в пищевой промышленности, где разработка этих способов перехода продолжается десятки лет.

При решении указанных двух групп задач перед прикладной психофизикой встали серьезные трудности.

На начальных этапах развития этих исследований, исходя из принципа потенциальной измеримости психических явлений, предполагалась возможность измерения восприятия в единицах дифференциального порога ощущений. Однако, поскольку величина порога измерялась физической мерой, которая определяла указанную величину на физическом и психологическом пространствах, психометрические и психофизические измерения как бы сливались в одно целое.

Получалось, что любой, в пределах здравого смысла, предложенный исследователем физический коррелят субъективного принимался без критики другими авторами. Во всяком случае внутри пороговой концепции такая критика была невозможна.

Рассмотрим с этих позиций резкость кино- или телевизионного изображения. Приведем примеры физических коррелятов субъективной резкости. Фактор резкости, по Гольдбергу, - G=dD/dx, где D - плотность, X - расстояние, на котором она измеряется; другой критерий - острость A=G2ΔD; диффузиметрический коррелят - величина освещенности на границе резкого края; величина, измеряемая падением контраста в зависимости от числа линий на миллиметр данного участка тест-объекта (частотно-контрастная характеристика) и т.п. (см. обзор указанных работ в [1], [8], [16]). Можно определить любую из указанных величин физической резкости на каждом участке фотоизображения или кинопленки. Далее найдем величину дифференциального порога ощущений и разделим разность двух инструментальных величин (отображающих падение физической резкости на определенном участке) на величину порога. В результате получим число, характеризующее, по мнению авторов, количественное значение восприятия резкости.

Эти значения будут различными на одном и том же участке при измерении разными физическими методами. Однако в рамках порогового метода нельзя поставить вопрос, какой из предлагаемых физических коррелятов резкости более адекватен (если адекватен вообще) субъективной резкости изображения, поскольку этот метод не предполагает расчлененности физического и психологического пространств.

Выход из научного тупика, в котором оказалась прикладная психофизика, был подсказан, как это часто бывает, практикой совершенно другой области - учебной практикой оценки знаний учащихся в баллах. Применение баллов для оценки фотографических изображений (L. Ioncs, по [8]) значительно продвинуло состояние работ в прикладной психофизике, поскольку позволило развести слитые на предыдущем этапе исследований психологическое и физическое пространства.

Отметим, что к этому времени (и даже несколько раньше) были сформулированы основные положения субъективной психофизики Л. Терстона [18]. Внедрение этой теории в прикладную психофизику началось несколько позднее [8]. Л. Терстон исходил из тех же принципов, что и Г. Фехнер, т.е. из представлений о потенциальной измеримости и непосредственности психических явлений. Однако психологическому континууму он придал другой характер, считая, что формирующиеся на психологическом континууме ответные реакции могут быть вычислены по частоте их связи со стимулами на физическом континууме с последующим преобразованием частоты в единицы нормированного отклонения.

Таким образом, на серьезном научном основании было достигнуто расчленение психологического и физического пространств. Это позволило использовать человека и в качестве измерительного прибора.

В дальнейшем происходило развитие как ранговых, так и балльных методов оценки. Отметим, что понятия ранговых и балльных методов иногда используются как тождественные. С рассматриваемых здесь позиций ранговая система показывает, насколько одно состояние качества больше или меньше (лучше или хуже) другого на психологическом пространстве, в то время как балльная система оценок сверх того несет в себе также и эмоциональную нагрузку в виде отношения субъекта к данному состоянию или уровню качества объекта или, по-другому, выступает как мера приемлемости для субъекта данного состояния (уровня) качества.

Развитие ранговых и балльных методов проходило по линии совершенствования алгоритмов математической обработки. Так, например, терстоновские модели, основанные на дисперсии измерений, развивались по линии создания и совершенствования алгоритмов обработки результатов измерений. Были созданы: суммирующий алгоритм для случая, когда дисперсия имеет место в каждой паре оцениваемых объектов (полная матрица); дифференцирующий алгоритм - когда оценки некоторых пар не имеют дисперсии (неполная матрица); наконец, когда выяснилось, что дифференцирующий алгоритм приводит к множественному решению, было предложено упорядочить расстановку столбцов матрицы [13] или же использовать методы матричной алгебры для однозначного установления субъективных расстояний (алгоритм Моррисея, см. [7]).

В направлении совершенствования математической обработки проходило также развитие балльных методов оценки: появились методы средних баллов, категорий (с применением алгоритма обращения частот в величины нормированного отклонения чувственных различий), методы, основанные на биноминальном законе распределения (единицы искажения - импс. от imparment unit и т.п.). (Обзор методов см. в [7].)

Нельзя не обратить внимание также на то, что для этих математических методов несущественна психологическая процедура оценки. Так, например, терстоновские методы математической обработки могут быть применены как в процедуре парных сравнений, так и при ранжировании.

С. Стивенс [10], также исходя из постулата потенциальной измеримости психических явлений, посвятил свои исследования разработке типов психологических континуумов: протетического - количественного и метатетического - качественного. Он уделил серьезное внимание вопросу о том, какие статистические меры могут применяться для обработки психологических шкал разных уровней: порядка, интервалов, отношений.

Применение указанных методов для практических целей показало их перспективность: были установлены функциональные связи между одномерными стимулами и ответными реакциями субъекта для различных модальностей объекта. Вместе с тем выявилось значительное несовершенство этих методов: большой разброс экспериментальных данных, плохая воспроизводимость результатов и, следовательно, невысокая надежность измерений и т.п.

Указанные недостатки особенно присущи балльным методам оценки. Однако именно эти методы являются наиболее значимыми для решения ряда задач прикладной психофизики, в том числе оценки качества промышленных изделий. Для нивелирования недостатков необходимо найти пути к совершенствованию этих методов. Каковы же эти пути?

Встал вопрос: достаточно ли для моделирования перцептивных, измерительных реакций такой сложной управляющей и управляемой системы, как человек, исходить только из принципа потенциальной измеримости? Тем более что при переходе от измерения величины ощущения в единицах дифференциальных порогов (объективная психофизика) к измерению субъективными методами объектов природы (субъективная психофизика) происходит качественный скачок от измерения психических состояний человека к использованию его в качестве прибора для измерения внешних воздействий, объектов и (или) их параметров.

Этот факт, далеко не всегда отмечавшийся исследователями, имеет, как увидим, принципиальное значение. Особенность субъективной психофизики заключается не только в том, что исследованию подлежат психические функции человека, но и в том, что сам субъект выступает в роли измерительного прибора. Отсюда следует необходимость исходить не только из постулата потенциальной измеримости, но также из постулатов (принципов), характеризующих возможности человека как измерительного прибора.

Важнейшим из таких принципов является принцип отражения, который получил свое наиболее глубокое освещение в марксистско-ленинской философии, где, в частности, показано, что результатом процесса психического отражения являются образы.

Рассматривая принципы отражения применительно к психофизике, Ю.М. Забродин [2] сформулировал понятие психологического пространства как пространства, заполненного образами.

Однако образы, составляющие психологическое пространство, функционально неоднородны. Как показали работы А.В. Запорожца и его школы [3], особое значение в процессах восприятия приобретают эталонные образы, соответствующие усваиваемым субъектом образцам чувственных качеств предметов.

Теория эталонов как некоторых узловых точек процесса восприятия представляется нам чрезвычайно продуктивной для решения ряда центральных проблем психофизики, возникающих в связи с проведением психофизических измерений.

Рассмотрение проблем психометрических и психофизических измерений с точки зрения теории эталонов приводит к их взаимному обогащению, к созданию новых, обладающих большой точностью и «разрешающей силой» методов психометрических измерений, к установлению новых закономерностей психофизики, с одной стороны, и выдвижению ряда принципиальных соображений о структуре эталонов - с другой.

В данной работе рассматриваются два аспекта теории эталонов: функционирование эталонов в процессе деятельности субъекта как измерительного прибора и психофизические закономерности формирования эталонов. На основе принципа отражения и теории эталонов мы можем следующим образом сформулировать основные закономерности функционирования субъекта как измерительного прибора.

Психологическое пространство имеет разную насыщенность эталонами в зависимости от прошлого опыта и (или) обучения субъекта Ряд эталонов, изменяющихся по одному определенному признаку, представляет собой систему эталонов. При этом признак, лежащий в основе такой системы, может иметь разную степени обобщенности. Так, например, система обобщенных эталонов резкости киноизображений распространяется на любые виды изображений, менее же обобщенная система таких эталонов может быть распространена только на определенные виды изображений (лицо, архитектура и т.п.). Переход от высшего этажа обобщения к низшему происходит в результате обучения и (или) активизации прошлого опыта субъекта. Без учета закономерностей функционирования системы эталонов невозможно установить оптимальные методы оценки объектов и их единичных параметров.

Исходя из принципа отражения и учитывая закономерности функционирования системы эталонов, можно приступить к созданию оптимальной методики измерений на психологическом пространстве Закономерности функционирования системы эталонов могут быть кратко определены следующей схемой (рис.1), где П - совокупность непосредственно воспринятых в прошлом опыте сигналов, СЭ - система сформированных эталонов, О - вытекающие из этих эталонов оценки отдельных состояний качества объектов и (или) их параметров.

Формирование эталонов
Рис.1 Формирование эталонов (схема)

Отсюда следует, что чем шире диапазон и мельче шаг системы эталонов СЭ, тем точнее и надежнее психологическая процедура оценки. Оптимальная работа СЭ может проходить на основе насыщения ее эталонами качества в процессе обучения и (или) влияния прошлого опыта, а также совершенствования процедуры измерений путем значительного облегчения работы СЭ. Последнее возможно в случае, если оцениваемый объект или его параметр на основе кратковременной памяти или последовательно сравнивается с некоторым другим (или другими) образцом или его параметром.

С этих позиций необходимо было провести анализ ранговых и балльных методов оценки, применяемых в психометрике и некоторых ее прикладных областях, в том числе в квалиметрии.

На основе теории эталонов необходимо также разработать некоторую оптимальную методику психометрических измерений с высокой надежностью и точностью, хорошей воспроизводимостью результатов измерений, способной решать ряд существенных общетеоретических и прикладных задач [7].

Отметим, что, согласно теории А.В. Запорожца и др. [3], эталоны формируются в социальном опыте. С этих позиций эталон является социальным образованием. Однако усвоение эталонов субъектом представляет собой активный процесс формирования их в индивидуальном опыте. Это формирование включает также психофизический аспект. Теоретическое значение поставленного нами вопроса заключается также в том, что впервые на психофизическом уровне определяются психофизические закономерности процесса формирования эталонов.

Практическое значение изучения этого вопроса заключается в установлении там, где это возможно, связи между результатами психометрических и физических измерений с целью создания условий для перехода от психометрических к физическим методам измерений.

На протяжении нескольких десятилетий эта проблема или вообще снималась с обсуждения, поскольку имплицитно считалось, что названному физическому корреляту соответствует любой, в пределах здравого смысла, психологический параметр. Однако это утверждение далеко не всегда соответствует действительности. Например, утверждение, что физическому контрасту соответствует субъективный контраст, несмотря на его кажущуюся реальность, является неверным, поскольку, как это будет показано далее, физический контраст является одномерным, а психологический формируется на основе многомерного эталона и зависит не только от величины физического контраста, но и от смежных физических параметров (резкости, яркости и т.п.).

Совершенствование и создание методов, способных решать данный круг задач, рассматривается многими авторами.

В последние десятилетия для суждения о том, можно ли пользоваться данным физическим коррелятом для замены экспертной оценки определенного параметра качества, считалось достаточным наличие высокой корреляционной связи (ρ→1) между результатами психометрических и физических измерений. В таком случае высокий уровень корреляционной связи характеризовал бы и адекватность сложившегося психологического эталона множеству физических стимулов, воспринятых субъектом.

Однако методика определения корреляционной связи между инструментальными измерениями и измерениями качества на субъективном пространстве, или, по-другому, установления типа трансформации физических стимулов в психологические эталоны, нуждается в дальнейшем совершенствовании. Одна из основных проблем заключается в том, какие точки на физическом пространстве выбраны экспериментатором для их сопоставления с точками психологического пространства, или одномерного континуума.

Действительно, наличие корреляционной связи, установленной на основе нескольких близких по состоянию качества точек на физической и психологической шкалах, не говорит о наличии этой корреляции и на других участках континуума. Этот факт хорошо известен специалистам.

Может ввести в заблуждение и другой случай. Если экспериментальные точки близки настолько, что не различаются субъектом на психологическом пространстве, то их оценка будет носить случайный характер и корреляционная связь не будет установлена. Отсюда вытекает необходимость разработки метода определения оптимальных расстояний между экспериментальными точками.

Для решения указанных теоретической и практической задач необходимы также более точные методы оценки связи. Надо аналитическими и графическими методами показать строго количественные соотношения между величинами психометрических и физических измерений.

Рассмотрим для примера такой показатель, как сплющивание изображения лица актера на киноэкране. На физическом пространстве величина сплющивания измеряется в виде соотношения полуосей эллипса, а на психологическом - значением балла субъективной оценки. Если допустимая величина сплющивания, т.е. предельное значение, при котором зрителя не раздражают такого типа геометрические искажения, равна 3.75 балла, то для того, чтобы перевести эту величину на физическую шкалу измерений, конечно, недостаточно знать, что коэффициент корреляции равен 1. Помимо этого необходимо иметь графическое или аналитическое выражение этой зависимости. Такое выражение позволит определить физическую величину сплющивания (ξr), соответствующую баллу субъективной оценки. На графике (рис.2) указанное значение равно 0.34. Естественно, что значение это должно быть единственным.

Горизонтальное сплющивание изображений лица актера
Рис.2 Горизонтальное сплющивание изображений лица актера

В этой связи необходимо иметь в виду следующее. Высокий коэффициент ранговой корреляции свидетельствует о тесной связи между переменными только тогда, когда указанная связь имеет линейный характер, что при решении данной задачи (да и подавляющего большинства задач) встречается чрезвычайно редко.

В случае нелинейности связи между исследуемыми переменными значение коэффициентов ранговой корреляции, близких к единице (ρ→1), не подтверждает гипотезу о наличии тесной связи между переменными. Действительно, если на оси абсцисс расположены значения субъективной оценки, а на оси ординат - многомерная физическая функция, то в зависимости от весовых вкладов отдельных аргументов в функцию графики связи имеют разный вид (рис.3).


Рис.3 Одинаковым значениям функции ξг соответствуют разные величины балла субъективной оценки и наоборот (объяснения в тексте)

Прямые линии экранного изображения рассматриваются зрителем как в той или иной степени искривленные под влиянием ряда переменных: горизонтальных и вертикальных углов зрения, наклона оси кинопроектора, а также кривизны экрана. Некоторая функция ξ, характеризующая искривление прямых линий, определяется перечисленными аргументами. Однако одинаковое значение ξ может определяться несколькими комбинациями этих аргументов.

Вместе с тем каждая из указанных переменных (положение зрителя относительно экрана или угол проекции) по-разному влияет на субъективную оценку состояния объекта и на расчетную величину ξ. Субъективная оценка зависит в том числе и от структуры сформированного эталона. Отсюда следует, что одному значению балла субъективной оценки соответствует несколько значений расчетной величины ξ. И наоборот, одному значению ξ может соответствовать множество величин балла субъективной оценки (рис.3).

С другой стороны, малое значение ρ не всегда свидетельствует об отсутствии связи между исследуемыми характеристиками: например, в случае, если функция графика имеет три или более экстремальных значений и соответствующее число перегибов (рис.4).


Рис.4. Наличие жесткой связи между инструментальными и психометрическими измерениями при малой величине ρ (объяснения в тексте)

Нельзя не отметить также, что график функции может иметь единственный (не обязательно линейный) вид только в одной группе случаев, когда обе переменные являются одномерными. В рамках одномерной психофизики указанные исследования велись начиная от Э. Вебера [19] и Г. Фехнера [12] Л. Терстоном [18], Д. Гилфордом [13], [14], С. Стивенсом [10] и др. На основе разработанных ими методов были установлены некоторые типы трансформации одномерных физических стимулов, согласно нашей терминологии, в одномерные психологические эталоны.

Однако, как справедливо указывает Ф. Клике, «понимание отдельного раздражителя как исходного момента было действительно фикцией» [6; 30]. Ф. Клике рассматривает задачи психофизики как изучение закономерностей трансформации топографических свойств предметного мира в топографию образа. Образы, как отмечалось ранее, включаясь в перцептивную деятельность, становятся эталонами.

Отсюда встают задачи изучения формирования многомерных эталонов методами психофизики. Рассмотрение указанных закономерностей возможно в ряде случаев методами многомерного шкалирования [22]. Однако многомерное шкалирование дает хорошее решение тогда, когда анализируемая структура представлена в двух-трех-четырехмерном пространстве. При значительном увеличении размерности структуры решение задачи может оказаться практически невозможным.

Существенные трудности возникают также в связи с разнородностью структуры интегрального показателя. Если единичные показатели имеют перцептивно разнородную структуру, то интегральный показатель должен объединять характеристики, трудно сопоставимые друг с другом, например цвет и геометрические формы или яркость, и такие характеристики объекта или его изображения, как резкость, контраст, ясность и т.п.

Это становится особенно очевидным, если ставится задача проведения классификации закономерностей формирования психологических эталонов на основе физических стимулов. Если в основу классификации положить n-мерность структуры эталонов, то теоретически возможны следующие соотношения: многомерные физические стимулы формируют многомерные или одномерные психологические эталоны, а одномерные стимулы формируют одномерные или многомерные [23] психологические эталоны. Отсюда следует, что один и тот же тип стимулов может формировать различные типы психологических эталонов.

Поэтому при разработке данного круга вопросов нельзя ограничиваться методом многомерного шкалирования, несмотря на его кажущаяся универсальность [4], [5]. В определенных случаях могут оказаться более полезными методы одномерного шкалирования, имеющие более высокую «разрешающую силу» и в известной степени свободные от указанных недостатков многомерного шкалирования, в частности способные анализировать различия в структуре соотношения стимулов и психологических эталонов.

Таким образом, возникает кажущаяся парадоксальной ситуация. Исследование закономерностей многомерной психофизики целесообразней проводить одномерными психометрическими методами в силу многообразия этих закономерностей, т.е. многообразия связей между стимулами и разнородной перцептивной характеристикой эталонов.

Указанные психометрические и психофизические методы разрабатываются на основе теории эталонов, учитывают особенности человеческого восприятия и обладают высокой точностью анализа психофизического взаимодействия субъекта с многомерным реальным объектом.

Эти свойства методов позволяют установить основные психофизические закономерности, основные алгоритмы трансформации одномерных и многомерных физических стимулов в одно- или многомерные психологические эталоны.


[1] Гороховский Ю.Н., Вифанский Ю.К. Пограничные кривые и резкость черно-белого фотографического изображения. — В кн.: Успехи научной фотографии. Т.10. М; Л., 1964. С.58-67
[2] Забродин Ю.М. О некоторых направлениях развития отечественной психофизики. — Психол. журн. 1982. Т.3. №2. С.55-69
[3] Запорожец А.В., Зинченко В.П., Венгер Л.А., Рузская А.Г. восприятие и действие. — М., 1967. - 323с.
[4] Измайлов Ч.А. Сферическая модель цветоразличения. — М., 1980. - 171с.
[5] Измайлов Ч.А., Козловский С.М., Чукин В.С. Особенности анализа и оценки качества цветного телевизионного изображения. — Техническая эстетика. 1981. №7. С.15-18
[6] Кликс Ф. Проблемы психофизики восприятия пространства. — М., 1965. - 464с.
[7] Козловский С.М. Современные психометрические проблемы оценки качества кино- и телевизионных изображений. — М., 1978. - 42с.
[8] Миз К. Теория фотографического процесса. — М.; Л., 1949. - 863с.
[9] Налимов В.В. О возможности метафорического использования математических представлений в психологии. — Психол. журн. 1981. Т.2. №3. С.39-47
[10] Стивенс С.С. Экспериментальная психология. — М., I960. - 685с.
[11] Терехина А.Ю. Многомерный анализ субъективных данных о сходствах или различиях. — М., 1978. - 68с.
[12] Fechner G.Т. Elemente der Psychophisik, 3 Auff. Leipzig, 1907. Bd. II. S.58-82
[13] Guilford I. Psychometric methods. N.Y., 1954.
[14] Guilford J. Psychometric methods. N.Y., McGraw-Hill Book Co., Inc., 1936. P.271-243
[15] Helmhotz H. Handbuch der physiologichen Optik. Leipzig, 1909—1911. Bd. I. S. 376. Bd. III. S.564
[16] Mess, Charles E.K. The theory of the photographic process. N.Y., 1954. - 1133p.
[17] Spearman G. Correlation of sums and differences. — Brit. J. Phychol. 1913. N 5. P.417-426
[18] Thurstone L.L. Fechner's law and the method of equal appearing intervals. — J. Exp. Psychol. 1929. V.12
[19] Weber E.H. Der Tastsinn und das Gemeingefühle. — In Wagner's Handwörterbuch. 1846, III, II. S. 481—588. Cited in Boring (1950).
[20] Welwood J. On psychological space. — J. Transpersonal Psychol. 1977. V.9. №2. P.97-118

[21] От редакции: публикуется в связи с постановкой актуальных практических задач, несмотря на теоретическую незавершенность исследования.
[22] О проблеме многомерного шкалирования см. [4], [12].
[23] Это возможно, поскольку одномерный стимул может вызывать (актуализировать) хранящиеся в памяти субъекта многомерные образы-эталоны.

Поступила в редакцию 30.X 1984г.