ทฤษฎีการตรวจจับ
ทฤษฎีการตรวจจับหรือทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณคือวิธีการวัดความสามารถในการแยกแยะระหว่างรูปแบบที่มีข้อมูล (เรียกว่าสิ่งเร้าในสิ่งมีชีวิตสัญญาณในเครื่องจักร) และรูปแบบสุ่มที่รบกวนข้อมูล (เรียกว่าสัญญาณรบกวนซึ่งประกอบด้วยสิ่งเร้าพื้นหลังและกิจกรรมแบบสุ่มของเครื่องตรวจจับและระบบประสาทของผู้ใช้งาน)
ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์การกู้คืนสัญญาณคือการแยกรูปแบบดังกล่าวออกจากพื้นหลังที่บดบัง[ 1 ]
ตามทฤษฎีแล้ว มีปัจจัยหลายประการที่กำหนดว่าระบบตรวจจับจะตรวจจับสัญญาณได้อย่างไร และระดับเกณฑ์การตรวจจับจะอยู่ที่ใด ทฤษฎีนี้สามารถอธิบายได้ว่าการเปลี่ยนแปลงเกณฑ์การตรวจจับจะส่งผลต่อความสามารถในการแยกแยะอย่างไร ซึ่งมักจะแสดงให้เห็นว่าระบบนั้นปรับตัวเข้ากับงาน วัตถุประสงค์ หรือเป้าหมายที่มุ่งไปมากน้อยเพียงใด เมื่อระบบตรวจจับเป็นมนุษย์ คุณลักษณะต่างๆ เช่น ประสบการณ์ ความคาดหวัง สภาพทางสรีรวิทยา (เช่น ความเหนื่อยล้า) และปัจจัยอื่นๆ สามารถส่งผลต่อเกณฑ์การตรวจจับที่ใช้ได้ ตัวอย่างเช่น ยามในยามสงครามอาจตรวจจับสิ่งเร้าที่อ่อนกว่าได้มากกว่ายามคนเดียวกันในยามสงบ เนื่องจากมีเกณฑ์การตรวจจับที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม พวกเขาก็อาจมีแนวโน้มที่จะมองสิ่งเร้าที่ไม่เป็นอันตรายว่าเป็นภัยคุกคามได้มากกว่าเช่นกัน
งานวิจัยในช่วงแรกส่วนใหญ่เกี่ยวกับทฤษฎีการตรวจจับนั้นดำเนินการโดยนักวิจัยเรดาร์[ 2 ]ในปี พ.ศ. 2497 ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาอย่างสมบูรณ์ในด้านทฤษฎีตามที่Peterson , Birdsall และ Fox ได้อธิบายไว้ [ 3 ]และรากฐานของทฤษฎีทางจิตวิทยาถูกสร้างขึ้นโดย Wilson P. Tanner, David M. Green และJohn A. Swetsในปี พ.ศ. 2497 เช่นกัน[ 4 ] ทฤษฎีการตรวจจับถูกนำมาใช้ในปี พ.ศ. 2509 โดย John A. Swets และ David M. Green สำหรับจิตวิทยาการรับรู้ [ 5 ] Greenและ Swets วิพากษ์วิจารณ์วิธีการดั้งเดิมของจิตวิทยาการรับรู้ที่ไม่สามารถแยกแยะระหว่างความไวที่แท้จริงของผู้ถูกทดสอบและอคติในการตอบสนอง (ที่อาจเกิดขึ้น) ของพวกเขา ได้[ 6 ]
ทฤษฎีการตรวจจับมีแอปพลิเคชันในหลายสาขา เช่นการวินิจฉัยโรคทุกประเภทการควบคุมคุณภาพโทรคมนาคมและจิตวิทยาแนวคิดนี้คล้ายกับอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ใช้ในวิทยาศาสตร์ และเมทริกซ์ความสับสนที่ใช้ในปัญญาประดิษฐ์นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้ในการจัดการสัญญาณเตือนภัย ซึ่งการแยกเหตุการณ์สำคัญออกจาก สัญญาณรบกวนพื้นหลังมีความสำคัญ
จิตวิทยา
ทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณ (SDT) ถูกนำมาใช้เมื่อนักจิตวิทยาต้องการวัดวิธีที่เราตัดสินใจภายใต้สภาวะความไม่แน่นอน เช่น วิธีที่เราจะรับรู้ระยะทางในสภาพที่มีหมอก หรือระหว่างการระบุตัวผู้กระทำผิดโดยพยาน [ 7 ] [ 8 ] SDTสันนิษฐานว่าผู้ตัดสินใจไม่ใช่ผู้รับข้อมูลแบบเฉื่อยชา แต่เป็นผู้ตัดสินใจที่กระตือรือร้นซึ่งทำการตัดสินใจเชิงรับรู้ที่ยากลำบากภายใต้สภาวะความไม่แน่นอน ในสถานการณ์ที่มีหมอก เราถูกบังคับให้ตัดสินใจว่าวัตถุอยู่ห่างจากเราเท่าใด โดยอาศัยเพียงสิ่งเร้าทางสายตาซึ่งถูกบดบังด้วยหมอก เนื่องจากความสว่างของวัตถุ เช่น สัญญาณไฟจราจร ถูกใช้โดยสมองเพื่อแยกแยะระยะทางของวัตถุ และหมอกลดความสว่างของวัตถุ เราจึงรับรู้ว่าวัตถุอยู่ไกลกว่าที่เป็นจริงมาก (ดูทฤษฎีการตัดสินใจ ด้วย ) ตาม SDT ระหว่างการระบุตัวผู้กระทำผิดโดยพยาน พยานจะตัดสินใจว่าผู้ต้องสงสัยเป็นผู้กระทำผิดหรือไม่ โดยอาศัยระดับความคุ้นเคยกับผู้ต้องสงสัยที่พวกเขารับรู้
ในการนำทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณไปใช้กับชุดข้อมูลที่สิ่งเร้ามีอยู่หรือไม่มี และผู้สังเกตการณ์จัดประเภทการทดลองแต่ละครั้งว่ามีสิ่งเร้าอยู่หรือไม่มี สิ่งเร้าจะถูกจัดเรียงเป็นหนึ่งในสี่ประเภทดังต่อไปนี้:
ตอบว่า "ไม่มา" ตอบว่า "ปัจจุบัน" มีสิ่งเร้าอยู่ นางสาว ตี ไม่มีสิ่งกระตุ้น การปฏิเสธที่ถูกต้อง สัญญาณเตือนภัยผิดพลาด
จากสัดส่วนของการทดลองประเภทนี้ สามารถประมาณค่าความไวเชิงตัวเลขได้ด้วยสถิติ เช่นดัชนีความไวd'และ A' [ 9 ] และสามารถประมาณค่าอคติในการตอบสนองได้ด้วยสถิติ เช่น c และ β [ 9 ]โดย β เป็นตัววัดอคติในการตอบสนอง[ 10 ]
ทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับการทดลองเกี่ยวกับความจำได้เช่นกัน โดยที่รายการต่างๆ จะถูกนำเสนอในรายการศึกษาเพื่อทดสอบในภายหลัง รายการทดสอบจะถูกสร้างขึ้นโดยการรวมรายการ "เก่า" เหล่านั้นเข้ากับรายการ "ใหม่" ที่ไม่ปรากฏในรายการศึกษา ในแต่ละรอบการทดสอบ ผู้เข้ารับการทดสอบจะตอบว่า "ใช่ สิ่งนี้อยู่ในรายการศึกษา" หรือ "ไม่ สิ่งนี้ไม่ได้อยู่ในรายการศึกษา" รายการที่นำเสนอในรายการศึกษาเรียกว่าเป้าหมาย และรายการใหม่เรียกว่าตัวลวง การตอบว่า "ใช่" กับเป้าหมายถือเป็นการตอบถูก ในขณะที่การตอบว่า "ใช่" กับตัวลวงถือเป็นการตอบผิด
ตอบว่า "ไม่" ตอบว่า "ใช่" เป้า นางสาว ตี สิ่งรบกวน การปฏิเสธที่ถูกต้อง สัญญาณเตือนภัยผิดพลาด
แอปพลิเคชัน
ทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณมีการประยุกต์ใช้ในวงกว้างทั้งในมนุษย์และสัตว์หัวข้อที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ความจำลักษณะของสิ่งเร้า ตารางการเสริมแรง เป็นต้น
ความไวหรือความสามารถในการแยกแยะ
ในเชิงแนวคิด ความไวหมายถึงความยากหรือง่ายในการตรวจจับว่ามีสิ่งเร้าเป้าหมายอยู่ท่ามกลางเหตุการณ์พื้นหลัง ตัวอย่างเช่น ในรูปแบบความจำแบบจดจำ การมีเวลาศึกษาคำศัพท์ที่ต้องจำนานขึ้นจะทำให้จดจำคำศัพท์ที่เคยเห็นหรือได้ยินมาก่อนได้ง่ายขึ้น ในทางตรงกันข้าม การต้องจำคำศัพท์ 30 คำแทนที่จะเป็น 5 คำจะทำให้การแยกแยะยากขึ้น สถิติที่ใช้กันทั่วไปอย่างหนึ่งในการคำนวณความไวคือดัชนีความไวหรือd'นอกจากนี้ยังมี การวัดแบบ ไม่ใช้พารามิเตอร์เช่น พื้นที่ใต้ เส้น โค้งROC [ 6 ]
อคติ
อคติคือระดับที่การตอบสนองหนึ่งมีโอกาสเกิดขึ้นมากกว่าการตอบสนองอื่น โดยเฉลี่ยจากกรณีที่มีสิ่งเร้าและไม่มีสิ่งเร้า กล่าวคือ ผู้รับอาจมีแนวโน้มที่จะตอบสนองโดยรวมว่ามีสิ่งเร้าอยู่ หรือมีแนวโน้มที่จะตอบสนองโดยรวมว่าไม่มีสิ่งเร้าอยู่ อคติไม่ขึ้นอยู่กับความไว อคติอาจเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาหากการแจ้งเตือนผิดพลาดและการพลาดนำไปสู่ต้นทุนที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น หากสิ่งเร้าคือเครื่องบินทิ้งระเบิด การพลาด (การไม่ตรวจพบเครื่องบินทิ้งระเบิด) อาจมีต้นทุนสูงกว่าการแจ้งเตือนผิดพลาด (การรายงานว่ามีเครื่องบินทิ้งระเบิดทั้งที่ไม่มี) ทำให้การมีอคติในการตอบสนองแบบเสรีนิยมเป็นสิ่งที่พึงปรารถนา ในทางตรงกันข้าม การแจ้งเตือนผิดพลาดบ่อยเกินไป ( การร้องตะโกนว่ามีหมาป่า ) อาจทำให้ผู้คนมีแนวโน้มที่จะตอบสนองน้อยลง ซึ่งเป็นปัญหาที่สามารถลดลงได้ด้วยอคติในการตอบสนองแบบอนุรักษ์นิยม
การตรวจจับแบบบีบอัด
อีกสาขาหนึ่งที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณเรียกว่าการตรวจจับแบบบีบอัด (หรือ compressive sensing) วัตถุประสงค์ของการตรวจจับแบบบีบอัดคือการกู้คืนเอนทิตีที่มีมิติสูงแต่มีความซับซ้อนต่ำจากการวัดเพียงไม่กี่ครั้ง ดังนั้น หนึ่งในแอปพลิเคชันที่สำคัญที่สุดของการตรวจจับแบบบีบอัดคือการกู้คืนสัญญาณที่มีมิติสูงซึ่งทราบกันว่ามีความเบาบาง (หรือเกือบเบาบาง) ด้วยการวัดเชิงเส้นเพียงไม่กี่ครั้ง จำนวนการวัดที่จำเป็นในการกู้คืนสัญญาณนั้นน้อยกว่าที่ทฤษฎีการสุ่มตัวอย่างของ Nyquist ต้องการมาก หากสัญญาณนั้นเบาบาง หมายความว่ามีองค์ประกอบที่ไม่เป็นศูนย์เพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น มีวิธีการกู้คืนสัญญาณที่แตกต่างกันในการตรวจจับแบบบีบอัด ได้แก่basis pursuit , expander recovery algorithm [ 11 ] , CoSaMP [ 12 ]และfast non-iterative algorithm [ 13 ] ในวิธีการกู้คืนทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น การเลือกเมทริกซ์การวัดที่เหมาะสมโดยใช้การสร้างแบบความน่าจะเป็นหรือการสร้างแบบกำหนด เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมทริกซ์การวัดต้องเป็นไปตามเงื่อนไขเฉพาะบางประการ เช่นRIP (Restricted Isometry Property) หรือคุณสมบัติ Null-Spaceเพื่อให้ได้การกู้คืนข้อมูลแบบสปาร์สที่มีความเสถียร
คณิตศาสตร์
P(H1|y) > P(H2|y) / การทดสอบ MAP
ในกรณีของการตัดสินใจระหว่างสมมติฐาน สองข้อ คือH1 (ไม่มี) และH2 (มี) ในกรณีของการสังเกตyที่ เฉพาะเจาะจง วิธีการแบบคลาสสิกคือการเลือกH1เมื่อp(H1|y) > p(H2|y)และเลือก H2ในกรณีตรงกันข้าม[ 14 ]ในกรณีที่ความน่าจะเป็นภายหลัง ทั้งสอง เท่ากัน เราอาจเลือกที่จะกำหนดค่าเริ่มต้นให้กับตัวเลือกเดียว (ไม่ว่าจะเลือกH1 เสมอ หรือเลือกH2 เสมอ ) หรืออาจเลือกH1หรือH2 แบบสุ่ม ความ น่า จะเป็นก่อนหน้าของH1และH2สามารถชี้นำการเลือกนี้ได้ เช่น โดยการเลือกสมมติฐานที่มีความน่าจะเป็นก่อนหน้า สูงกว่าเสมอ
เมื่อใช้วิธีนี้ โดยปกติสิ่งที่เราทราบคือความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไขp(y|H1)และp(y|H2)และความน่าจะเป็นแบบก่อนหน้าและในกรณีนี้
,
โดยที่p (y)คือความน่าจะเป็นทั้งหมดของเหตุการณ์y
.
H2ถูกเลือกในกรณีที่
และH1ในกรณีอื่นๆ
บ่อยครั้ง อัตราส่วนเรียกว่าและเรียกว่าอัตราส่วนความน่าจะเป็น
เมื่อใช้คำศัพท์นี้H2จะถูกเลือกในกรณีนี่เรียกว่าการทดสอบ MAP ซึ่ง MAP ย่อมาจาก "maximum a posteriori " (ค่าสูงสุดภายหลัง)
การใช้วิธีนี้จะช่วยลดจำนวนข้อผิดพลาดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นได้
เกณฑ์ของเบย์ส
ในบางกรณี การตอบสนองต่อH1 อย่างเหมาะสมมีความสำคัญมากกว่า การตอบสนองต่อH2 อย่างเหมาะสม ตัวอย่างเช่น หากสัญญาณเตือนดังขึ้น บ่งชี้ว่า H1 (เครื่องบินทิ้งระเบิดที่กำลังเข้ามาบรรทุกอาวุธนิวเคลียร์ ) การยิงเครื่องบินทิ้งระเบิดตกมีความสำคัญมากกว่าการหลีกเลี่ยงการส่งฝูงบินขับไล่ไปตรวจสอบสัญญาณเตือนที่ผิดพลาด (เช่น H1 = เท็จ, H2 = จริง) (โดยสมมติว่ามีฝูงบินขับไล่จำนวนมาก) เกณฑ์ของเบย์สเป็นแนวทางที่เหมาะสมสำหรับกรณีดังกล่าว[ 14 ]
ในที่นี้ค่าอรรถประโยชน์จะสัมพันธ์กับสถานการณ์ทั้งสี่ดังต่อไปนี้:
- : การตอบสนองนั้นต้องสอดคล้องกับพฤติกรรมของ H1 และ H1 เป็นจริง: เครื่องบินรบทำลายเครื่องบินทิ้งระเบิด ทำให้เกิดค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิง การบำรุงรักษา และอาวุธ รวมถึงมีความเสี่ยงที่บางลำจะถูกยิงตก
- : การตอบสนองด้วยพฤติกรรมที่เหมาะสมกับ H1 และ H2 เป็นจริง: การส่งเครื่องบินรบออกไปทำให้เกิดค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงและการบำรุงรักษา แต่ตำแหน่งของเครื่องบินทิ้งระเบิดยังคงไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด
- : บุคคลหนึ่งตอบสนองด้วยพฤติกรรมที่เหมาะสมกับสมมติฐาน H2 และ H1 เป็นจริง: เมืองถูกทำลาย
- : ตอบสนองด้วยพฤติกรรมที่เหมาะสมกับ H2 และ H2 เป็นจริง: นักรบอยู่บ้าน ตำแหน่งของเครื่องบินทิ้งระเบิดยังคงไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด
ดังที่แสดงไว้ด้านล่าง สิ่งสำคัญคือความแตกต่างและ.
ในทำนองเดียวกัน มีความน่าจะเป็นอยู่สี่แบบ,เป็นต้น สำหรับแต่ละกรณี (ซึ่งขึ้นอยู่กับกลยุทธ์การตัดสินใจของแต่ละบุคคล)
แนวทางตามเกณฑ์ของเบย์สคือการเพิ่มอรรถประโยชน์ที่คาดหวังให้สูงสุด:
โดยหลักการแล้ว เราสามารถเพิ่มผลรวมให้สูงสุดได้
,
และทำการแทนที่ดังต่อไปนี้:
ที่ไหนและคือความน่าจะเป็นล่วงหน้าและ, และคือบริเวณของเหตุการณ์การสังเกตyที่ได้รับการตอบสนองราวกับว่าH1เป็นจริง
และด้วยเหตุนี้ได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดโดยการขยายเหนือภูมิภาคที่
สิ่งนี้สำเร็จได้โดยการตัดสินใจเลือก H2 ในกรณีดังกล่าว
และ H1 ในกรณีอื่น ๆ โดยที่L(y) คือ อัตราส่วนความน่าจะเป็นที่กำหนดไว้
ดูเพิ่มเติม
- การจำแนกแบบไบนารี
- อัตราการแจ้งเตือนผิดพลาดคงที่
- ทฤษฎีการตัดสินใจ
- การดีมอดูเลชั่น
- เครื่องตรวจจับ (วิทยุ)
- ทฤษฎีการประมาณค่า
- ความแตกต่างที่สังเกตได้
- การทดสอบอัตราส่วนความน่าจะเป็น
- การปรับสัญญาณ
- ทฤษฎีบทเนย์แมน-เพียร์สัน
- ฟังก์ชันการวัดทางจิตวิทยา
- ลักษณะการทำงานของตัวรับสัญญาณ
- การทดสอบสมมติฐานทางสถิติ
- การประมวลผลสัญญาณทางสถิติ
- การเลือกแบบบังคับสองทางเลือก
- ข้อผิดพลาดประเภทที่ 1 และประเภทที่ 2
ลิงก์ภายนอก
- คำอธิบายทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณ
- การประยุกต์ใช้ทฤษฎี SDT กับความปลอดภัย
- ทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณโดย การ์เร็ตต์ เนสเกโครงการสาธิตของวูลฟราม
- การบรรยายโดย สตีเวน พิงเกอร์