Psychophysik und Skalierung. PWP 1 Skalierung in der Psychophysik. Logarithmische Funktion. Beispiel Lautstärke

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1 Psychophysik und Skalierung PWP 1 Skalierung in der Psychophysik WiSe 2007 Psychophysik geprägt durch Fechner 1860 Zusammenhang externer physikalischer Stimuli (Reize) und Wahrnehmung Skalierung Quantifizierung von Sinneseindrücken psychophysische Funktion Zusammenhang zwischen Empfindung, Wahrnehmung oder anderen mentalen Vorgängen und physikalischen Vorgängen Beispiel Lautstärke Logarithmische Funktion Physikalische Intensität (Schalldruck) lauter Binaural (vs. monaural) lauter Quantifizierung? nicht linear Chor mit 100 Mitgliedern nicht 10 lauter als einer mit 10 Mitgliedern Abnehmender Grenznutzen (Bernoulli, 17. Jhd.) 1000 Mark tragen mehr zum Glück eines armen als eines reichen Menschen bei Skala mit abnehmender Steigung Logarithmus mögliche aber nicht einzige Funktion Fechner hat Erkenntnis, daß die psychophysische Funktion logarithmisch sein muß. Weber zeigt, daß die kleinste bemerkbare Differenz (just notable difference) zweier Reize von der absoluten Stärke der Reize abhängt. Weber postuliert die Gleichheit von JNDs logarithmische psychophysische Funktion

2 Weber-Fechner Direktere Messungen Weber min. Differenz zweier unterscheidbarer phys. Stimuli φ ist proportional zur absoluten Intensität der Stimuli φ = const φ φ Fechner Bei jedem JND bleibt die wahrgenommene Intensitätssteigerung ψ konstant Absolute Wahrnehmungsintensität ist proportional der Summe aller JNDs ab der Wahrnehmungsschwelle ψ(φ) = JNDs = ( ψ) = c φ φ Nur indirekt durch Diskriminationsexperimente meßbar Partitionierung Streckenteilung: 3 Reize A, B, C: Stellen Sie B so ein, daß er genau zwischen A und C liegt Doppelstimuli Stellen Sie 2. Reiz doppelt so intensiv ein, wie Vergleichsreiz direkte Messung der Intensitätsempfindung Gibt es absolute Wahrnehmungsintensität? Direkte vs. indirekte Messung Viele Zweifel, ob man überhaupt von absoluter Wahrnehmung sprechen kann z. B. James: scharlachrot ist nicht rosa mit noch mehr rosa (addierte JNDs) Heute geht man in den meisten Theorien von einer absoluten Wahrnehmung aus. Fechner und andere bleiben bei Diskrimination als Meßmethode, weil sie bezweifeln, daß man absolute Intensitätswahrnehmung messen kann. Wahrnehmungsaussagen immer in Theorie eingebettet Nie wirklich direkt meßbar Unterscheidung zwischen direkter und indirekter Wahrnehmungsmessung je nachdem, ob VPs direkt nach Unterschieden oder Größen von Wahrnehmungseindrücken gefragt werden oder nur nach ordinaler Information zur Unterscheidung zweier Stimuli. Skalenniveau unklar

3 Skalenniveau Metrische vs. nicht-metrische Messungen Meist Versuch auf Intervall- oder Verhältnisskalenniveau Fälschlicherweise oft durch einfache Übertragung des Skalenniveaus des physikalischen Testreizes (z. B. Helligkeit) Nur möglich nur durch Einbettung in Theorie (wenn überhaupt) metrische vs. nicht-metrische Messungen metrische Messung = direkt z. B. durch Befragung der VP wieviel stärker ist Reiz B im Vergleich zu A? metrische Messungen oft inkonsistent durch nicht beobachtbare nichtlineare Transformationen; z. B. Abstand A B = 10, B C = 12.6 aber A C = 45 Einheiten. Versuch der Reskalierung durch mathematische Transformation; z. B. 10 = 3.16, 12.6 = 3.55, 45 = 6.71 Oder Wegwerfen der Skalierung durch VP und Nutzung der nicht-metrischen Daten. nicht-metrische Messung = nur durch Vergleiche (ordinal) Aufbau einer Skala durch nicht-metrische ordinalen Information nach Shepard (1966) reicht Ranginformation unter bestimmten Randbedingungen zum Aufbau einer Intervallskala Fechnersche Diskriminationsskala Kombination mit Webers Gesetz JND: Abstand zwischen 2 Reizen, die mit bestimmter Häufigkeit (z. B. 75%) unterschieden werden können Alle JNDs definieren Paare von phys. Stimuli, die gleich gut diskriminiert werden können psychologische Skala Ψ durch Annahme, daß 2 gleich unterscheidbare Reize den gleichen psychologischen Abstand haben Ψ konstant und Einheit des psychologischen Abstands physikalische Größe des JND φ φ φ φ = c ; konstant Kombininiert man beide, erhält man das Weber-Fechnersche Gesetz ψ = k log φ φ 0 ; φ 0 = physikalische Reizstärke bei Wahrnehmungsschwelle φ φ ist nur über beschränkten Bereich konstant. Skalierung durch Addition von JNDs trotzdem möglich, aber kein logarithmisches Gesetz über gesamten Bereich

4 Bsp. Dol-Skala des Schmerzes JND als psychologische Einheit Fechners Annahme: Jedes JND gleiche Änderung der Wahrnehmungsstärke Steigung der psychophysischen Funktion invers proportional zu φ. Widerspruch durch andere Meßmethoden z. B. Hellman (1987) bei Lautstärkeexperiment auch bei anderen Modalitäten Widersprüche gefunden Erweiterungen Methoden zur Messung von absoluten und Unterschiedsschwellen. Ekmans Gesetz Theghtsoonian (1971): b = konstant über verschieden Modalitäten Weder Weber-Fechner noch Erweiterungen allgemeingültig, aber gute Annährung in bestimmten Bereichen. Erweiterung mit großer Ähnlichkeit zur Signalentdeckungstheorie durch Thurstone. Grenzmethode: Präsentation des Stimulus mit aufsteigender oder absteigender Stärke. VP soll sagen, wenn sie den Reiz wahrnimmt, bzw. gerade nicht mehr wahrnimmt. Probleme: Bias, Perseveration Herstellungsmethode: VP kann Stärke des Reizes selbst langsam verändern bis zu dem Punkt, an dem sie den Reiz wahr nimmt. Konstanzmethode: Randomisierte Präsentation von Stimuli verschiedener Stärke. Psychophysische Funktion aus Anteil der Stimuli, die die VP entdecken konnte. Beste aber aufwändigste Methode.

5 Equidistante Partitionierung keine ordinale Entscheidung zwischen 2 Reizen Messung subjektiver Größe durch Teilung (Partitionierung) einer kontinuierlichen psychologischen Größe Versuch der Konstruktion einer Intervallskala 2 Methoden equidistante Partitionierung (equisection scaling) kategorische Skalierung Einteilung des Abstands zweier Reize in n gleiche Intervalle bisectioning als einfachste Form direkt in psychophysische Funktion überführbar y-achse: n-intervalle bzw. n+1 verschiedene Reize mit willkürlichen Einheiten x-achse: physikalische Meßwerte Simultane vs. progressive Messung Beispiel nach Stevens und Volkmann 3 Skalen über 3 Frequenzbereiche Zusammensetzen durch graphische Methoden

6 Gültigkeit der Skalierung Kategorische Skalierung Skalenbildung immer möglich keine Möglichkeit zu Testen, ob die interne Skala wirklich so ist Validierung durch andere Messungen z. B. sollte der Punkt B einer Streckenteilung von AC auch bei einer Einteilung in 4 Intervalle der Mittelpunkt bleiben. im Beispiel von Stevens sind die überlappenden Bereiche der Funktion konsistent. Nur dadurch ist das Zusammenfassen möglich. Ziel ist Intervallskala (wie bei equidistanter Skalierung) Zuordnung eines Wertes (Kategorie) zu gegebenem Stimulus (bei equidistanter Skalierung wird Stimulus angepaßt) z. B. 5-Punkt Skala: größter Stimulus 5, kleinster 1 VP soll Stimuli dazwischen Werte zuordnen Werte sollen Abstände zwischen Wahrnehmungsgrößen (linear) widerspiegeln Meßwiederholung (bei derselben oder mehreren VPs) Psychophysische Funktion: Mittelwerte der Kategoriewertungen vs. physikalische Stimuli Antwortbias Wertung eines Stimulus sollte unabhängig vom Vorhandensein anderer Stimuli sein VPs tendieren dazu alle Kategorien gleich oft zu belegen, auch wenn Stimulusgrößen nicht gleichverteilt sind viele Stimuli mit geringer Intesität Verstärkung des Effekts der abnehmenden Steigung (obere Kurve) viele Stimuli mit hoher Intesität Abflachung der psychophysichen Funktion bis zur Linerität (untere Kurve) oder darüber hinaus Abschwächung des Bias VPs tendieren dazu alle Kategorien zu nutzen unabhängig von der wirklichen Bandbreite der Stimulusintensitäten VPs tendieren dazu die Kategorien gleichmäßig zu belegen unabhängig von der wirklichen Verteilung der Stimulusintensitäten Gegensteuern durch iterative Prozeduren (mehrfache Einteilung der Intensitäten in Unterskalen und Messung der Skalenteile) verbale Kategorisierung

7 Fletcher und Munson, 1933 direkte Skalierung mit Ziel Verhältnisskala Merkel (1888): φ bei Verdoppelung der wahrgenommenen Intensität Fullerton und Cattel (1892): VPs sollen Intensität eines Stimulus so einstellen, daß er ein vorgegebenes Vielfaches oder einen Bruchteil des Ausgangsstimulus ergibt. Durchbruch bei Lautheitswahrnehmung in den 30ern Versagen der logarithmischen (fechnerschen) db-skala bei Lautheit nach S. S. Stevens Ross (1930) Vergleichsstimulus mit vorgegebener Intensität 1 Zuordnung von Intensitäten zu anderen präsentierten Stimuli Potenzfunktion (power function) statt Logarithmus 2 Annahmen 1. binaurale Wahrnehmung doppelt so laut wie monaurale 2. lineare Addition, wenn Frequenzbänder weit getrennt sind Log-Log-Graph linear bei db mit Steigung 0.3 (direkte Skalierung) Zwei Methoden der direkten Skalierung VPs quantifizieren wahrgenommene Stimulusintensität Eingeführt 1930 durch Ross Aus- und weitergeführt durch Stevens (1953,1955,1975) Zahlreiche Untersuchungen zeigen Zusammenhang zwischen Antwort R und Stimulusintensität φ der Form R = k φ β Stevens schlägt für psychophysische Funktion vor: Ψ = k φ β (für β < 0 sehr ähnlich Fechner) Annahme Ψ R (Ψ absolut wahrgenommene interne Repräsentation der Stimulusintensität. 1. Standardreiz mit vom VL vorgegebenem Rating 2. VPs quantifizieren Intensitäten ohne Standardreiz Zuordnung zum 1. Stimulus willkürlich durch VP keine Beschränkung der möglichen positiven Zahlen Bias falls Standard des VL nicht natürlichem Empfinden der VP entspricht Zusammenfassung der Werte meist über Median oder geometrisches Mittel

8 Messung mehrerer Parameter Messung von 6 8 Intensitäten je 8 10 mal in randomisierter Reihenfolge meist ausreichend Möglichkeit Veränderung mehrerer Parameter Bsp. Wärmeempfinden in Abhängigkeit von bestrahlter Fläche Vorgehen umgekehrt zu mag. estimation VP erhält Standardreiz und soll Intensität so verstellen, daß sie einem vorgegebenen Verhältnis entspricht Als Korrektur zu Biasfehlern bei Intensitätsschätzung VP tendieren dazu, Extreme zu vermeiden Schätzung für geringe Intensitäten zu hoch eingestellte Intensität bei geringen vorgegebenen Werten zu hoch 2 Geradensteigungen. Annahme, dass die wirkliche Wahrnehmung zwischen den Bias liegt. Literatur Alle Beispiele und Zitate aus folgendem Übersichtsartikel Marks, L. E. und G. A. Gescheider (2002) Psychophysical scaling. In: Pashler, H. (Hrsg.), Stevens Handbook of Experimental Psychology, Band 4, Kapitel 3, Seiten Wiley, New York, dritte Auflage.