Le problème du seuil dans les processus de traitement de l'information : comparaison de différents modèles de détection - article ; n°1 ; vol.72, pg 131-154

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L'année psychologique - Année 1972 - Volume 72 - Numéro 1 - Pages 131-154
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Publié le : samedi 1 janvier 1972
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J. Gaussin
Le problème du seuil dans les processus de traitement de
l'information : comparaison de différents modèles de détection
In: L'année psychologique. 1972 vol. 72, n°1. pp. 131-154.
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Gaussin J. Le problème du seuil dans les processus de traitement de l'information : comparaison de différents modèles de
détection. In: L'année psychologique. 1972 vol. 72, n°1. pp. 131-154.
doi : 10.3406/psy.1972.27935
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/psy_0003-5033_1972_num_72_1_27935REVUES CRITIQUES
LE PROBLÈME DU SEUIL
DANS LE PROCESSUS
DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION :
COMPARAISON DE DIFFÉRENTS MODÈLES
DE DÉTECTION
par José Gaussin1
Université de Louvain2
La théorie de la détection des signaux (Tanner et Swets, 1954) a
doublement influencé les théories psychophysiques classiques : d'une
part, elle a remis en cause le concept de seuil ; d'autre part, elle a mis
l'accent sur les mécanismes de décision dans la détermination de la
réponse à des tâches de détection sensorielle. La présente étude se pro
pose de revoir cette notion de seuil dans le contexte de différentes
théories, et de comparer les prédictions et les interprétations de quelques
modèles de détection.
Dans leur forme la plus simple, les différents modèles dont il va
s'agir ne s'appliquent qu'à des tâches binaires dans lesquelles la discr
imination entre les deux hypothèses possibles est incertaine. Bien que ces
modèles aient été mis à l'épreuve le plus souvent pour des tâches de
détection sensorielle, rien n'empêche de concevoir l'observation dans son
sens le plus général, celui d'une prise d'information sur l'environnement.
Il convient alors de préciser certains termes tels qu'ils seront utilisés
ici. Le signal s est défini comme l'hypothèse la plus organisée, tandis que
le bruit b est l'hypothèse la plus aléatoire. Le terme de seuil est égale
ment à concevoir dans son contexte le plus large, celui d'une barrière
dans le processus de traitement de l'information, même si, pour faciliter
l'exposé d'une théorie, nous nous référons explicitement au seuil sensor
iel. De même, la notion de détection n'implique pas forcément une
1. Aspirant du Fonds national de la recherche scientifique.
2. Centre de Psychologie expérimentale et comparée. REVUES CRITIQUES 132
tâche sensorielle, mais peut signifier toute espèce de décision binaire
sous risque.
La portée des modèles, et de leur comparaison, se trouve ainsi
élargie : leur objet concerne dès lors le processus de traitement de l'info
rmation d'une manière générale, qu'il s'agisse de la détection sensorielle,
de la formation des concepts, de la mémoire, ou encore d'autres compor
tements. La question que se posaient des chercheurs comme Jastrow
(1888) ou Urban (1930) au sujet des seuils sensoriels et, s'ils existent,
de leur mesure devient alors : à un niveau quelconque du processus qui
relie la réponse au stimulus, trouve-t-on chez l'observateur une barrière
qui fonctionne sur le mode du tout ou rien (Krantz, 1969) ?
LA SITUATION FONDAMENTALE DE LA DÉTECTION
Dans les conditions de base, l'expérimentateur définit un intervalle
d'observation durant lequel l'observateur (O) prend une certaine info
rmation au sujet du stimulus. L'O décide alors si un signal a été ou non
présent au cours de l'intervalle. La figure 1 illustre cette situation. Au
cours de l'observation, le signal a été ou non effectivement présenté.
Pour chaque hypothèse, l'O peut répondre par signal S ou par bruit B.
p(S/a)
p(B/a)
p(S/b)
B p(B/b)
Fig. 1. — - Illustration de la situation fondamentale de la détection
On obtient ainsi quatre résultats possibles, exprimés en proportions :
1) la proportion de détections correctes p(S/s) ; 2) la proportion de
signaux manques p(B/s) ; 3) la proportion de fausses alertes p{S/b) ;
et 4) la de rejets corrects />(B/è). En fait, puisque
p(S/s) + p(Bjs) = 1
et p(S/b) + p(Blb) = 1
deux proportions suffisent à caractériser l'ensemble de la situation,
par exemple p(S/s) et jo(S/fe). La courbe qui représente p(S/s) en fonc
tion de p(S/b) est appelée la courbe d'efficacité du récepteur (Receiver
operating characteristic : ROC) (Bresson, 1965). J. GAUSSIN 133
LES THÉORIES CLASSIQUES DU SEUIL
La notion de seuil est très ancienne. Elle remonte à Leibniz (1714),
et fut introduite pour la première fois en psychologie par Herbart (1824).
Mais c'est Fechner (1860) qui, le premier, parla du seuil d'une manière
quantitative et développa des méthodes psychophysiques propres à le
déterminer en termes statistiques. (Pour une revue détaillée des diffé
rentes conceptions du seuil, voir Corso, 1963.)
Pour Fechner, le seuil sensoriel est une limite à la sensibilité ; c'est
une barrière caractéristique du système sensoriel, et le fait qu'elle soit
ou non franchie dépend uniquement de l'intensité du signal. Le seuil
est conçu à la manière du neurone ; comme une impulsion nerveuse se
transmet ou ne se transmet pas, un stimulus est détecté ou ne l'est pas,
et ces deux possibilités ne se recouvrent en aucun cas.
Cette conception rigoureuse du seuil, confrontée aux résultats expé
rimentaux, se heurte cependant à deux difficultés principales. Tout
d'abord surgit le problème de la variabilité : un même stimulus ne pro
duit pas systématiquement une même réponse « oui » ou « non ». Ce
phénomène peut être dû aux variations physiologiques continuelles
dans les éléments récepteurs, et aux effets d'un grand nombre de facteurs
non sensoriels, comme la fatigue, l'anxiété, la motivation, etc. Ensuite,
il y a le problème de ce que l'on appelle les sensations négatives, ou
subliminaires. Miller (1942), par exemple, a constaté que des sujets qui
n'avaient pas détecté le signal étaient néanmoins capables de l'identifier
avec une exactitude supérieure au hasard. De même, Lazarus et McLeary
(1951) ont observé que, quand la réponse verbale du sujet (réponse
d'identification) est incorrecte, une d'un autre type, comme la
réaction psychogalvanique, indique que le sujet est tout de même
sensible à la présentation du signal.
l'hypothèse phi-gamma
Le seuil doit donc être mesuré en termes statistiques (Jastrow, 1888 ;
Cattell, 1893). Guilford (1954) définit le seuil absolu comme « ce stimul
us de faible intensité qui conduit à une réponse dans 50 % des cas ».
Urban (1910) développa une expression mathématique susceptible de
décrire adéquatement la fonction psychométrique, et qui tienne compte
des variations aléatoires auxquelles le seuil est soumis : c'est l'hypothèse
phi-gamma. Ainsi que l'indique la figure 2, cette hypothèse revient à
décrire la fonction psychométrique comme une ogive, c'est-à-dire comme
une courbe normale cumulée.
Les éléments principaux de l'hypothèse phi-gamma sont les suivants.
Elle suppose l'existence de deux continua : 1) un continuum physique
qui représente une série de phénomènes physiques qui se différencient 134 REVUES CRITIQUES
seulement par la grandeur d'un de leurs traits ; 2) un continuum psycho
logique qui représente une série subjective parallèle à la série objective.
Tandis que l'on considère le continuum physique comme allant du zéro
à l'infini, le continuum psychologique correspondant serait plus limité.
La psychophysique, on le sait, se donne pour objet de déterminer les
relations fonctionnelles entre les deux continua. L'hypothèse phi-gamma
1.000
0,891
Seuil / f\ phi Fonction -gamma 0,656 -
o 0,500
o a.
0,344
-,
0,109
Intensité du signal.
Fig. 2. — Représentation graphique de l'hypothèse phi-gamma, mont
rant que la fonction équivaut à l'intégrale de la courbe normale de pro
babilité.
suppose en outre que les réponses de l'O dépendent non seulement de la
grandeur du stimulus, mais aussi d'un grand nombre de facteurs incon
trôlés dont les effets se combinent selon la loi normale de l'erreur (Corso,
1967).
Boring (1917) analyse cette hypothèse en termes physiologiques.
Selon lui, les organes sensoriels et le cerveau excités par une stimula
tion déterminée sont « différemment disposés à l'impression ». Ces
variations sont indépendantes de la valeur du stimulus, et résultent
de l'interaction d'un grand nombre de facteurs ; plus le stimulus est
faible, plus le nombre de facteurs qui sont par chance favorables à la
détection doit être important pour que le signal soit détecté. J. GAUSSIN 135
LES EQUATIONS DE THURSTONE
D'autres équations que la fonction phi-gamma ont été proposées
pour rendre compte de la fonction psychométrique. On ne peut ignorer
celles de Thurstone (1927 a, 1927 b, 1928). Thurstone se réfère à ce qu'il
a appelé la discriminai dispersion. Cette notion signifie que les effets de
la stimulation peuvent être représentés comme une variable aléatoire
de distribution normale. Les équations proposées par Thurstone (loi
du jugement comparatif et loi du jugement catégoriel) utilisent le
nombre de confusions entre un stimulus A et un stimulus B pour déter
miner la distance moyenne subjective entre A et B. On peut ainsi mettre
en relation une mesure physique de l'intensité du stimulus et une valeur
de l'échelle subjective correspondante. L'unité de mesure est arbi
traire et directement fonction de la confusion entre les stimuli. La pro
cédure de Thurstone repose ainsi sur deux présupposés : 1) des stimuli
semblables tendent à être confondus ; et 2) la distance peut servir à
représenter la similarité.
Le but de la présente étude n'est pas d'entrer dans le débat qui
oppose les tenants d'une méthode directe aux partisans d'une méthode
indirecte de mesure. Les fonctions de Thurstone ont été évoquées pour
permettre une éventuelle comparaison avec les présupposés de la
théorie de la détection des signaux.
LA THÉORIE DU SEUIL HAUT (1-SH)
Blackwell (1953, 1963) présente une théorie du seuil haut qui est
représentative de la conception classique. La mesure du seuil, on l'a
vu, est en fait le résultat d'une élaboration statistique, puisqu'elle
doit tenir compte des variations aléatoires qui influencent la réponse.
On peut interpréter ces de deux manières : ou bien le seuil
fluctue tandis que l'effet sensoriel produit par un même stimulus reste
constant, ou, au contraire, le seuil reste fixe tandis que l'effet sensoriel
est variable. La seconde interprétation permet une comparaison directe
avec la théorie de la détection des signaux (Green et Swets, 1966).
C'est donc celle-ci qui sera exposée maintenant.
La théorie 1-SH repose sur deux idées de base : 1) le seuil n'est que
rarement, sinon jamais, dépassé lorsque le signal n'est pas présenté ;
et 2) lorsque l'effet sensoriel se situe en dessous du seuil, l'O ne reçoit
aucune information. Dans les termes de la théorie de la détection des
signaux que l'on va voir, cette définition équivaut à situer le seuil à
environ trois sigmas au-dessus de la moyenne de la distribution du bruit ;
la probabilité des fausses alertes — p(S/6) — se trouve ainsi pratique
ment réduite à zéro.
Cependant, dans les vérifications expérimentales adéquatement
construites, p[Sjb) est généralement supérieure à zéro. La théorie 1-SH REVUES CRITIQUES 136
attribue ces fausses alertes à un mécanisme de « devinement » aléatoire
(guessing mechanism) qui amène le sujet à répondre « oui » par pur
hasard lorsqu'il n'y a pas de signal. Mais, dans ce cas, le sujet répond
également « oui » par pur hasard dans un certain nombre de présentations
qui incluent le signal. Il convient donc de corriger pour la chance la
proportion observée de détections correctes — p(S/s). Posons p la
probabilité que le signal dépasse le seuil, et 1 — p la probabilité que le
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
p(S/b)
Fig. 3. — ■ Une famille de courbes ROC
basées sur la théorie du seuil haut (1 — SH)
signal produise un effet sensoriel inférieur au seuil. Le taux de « devine
ment » chez un O peut alors être estimé par p{S/b) (1 — p), soit la pro
portion des réponses « oui » dues au hasard en l'absence de signal, pon
dérée par la probabilité que de telles occasions se présentent. On peut
en déduire une équation qui permet de corriger p(Sjs) pour la chance, et
d'estimer ainsi la vraie probabilité de détections correctes p*(S/s).
Cette équation est la suivante :
Les courbes ROC qui résultent de cette équation du premier degré
sont des lignes droites lorsque les axes sont exprimés en proportions.
Elles vont d'un point de l'ordonnée qui dépend de l'intensité du signal
au coin supérieur droit (1,1) du graphique. Une famille de courbes ROC J. GAUSSIN 137
de ce genre est montrée dans la figure 3. Après correction, p*(S/s) ne
varie pas en fonction de p(S/b). La courbe ROC devient dans ce cas
une parallèle à l'abscisse, et le point p*(S/s) de l'ordonnée reste invariant
en fonction de p{S/b).
LA THÉORIE DU QUANTUM NERVEUX (TQ)
Le débat qui oppose la TQ aux théories classiques du seuil est centré
sur la continuité ou la discontinuité du continuum psychologique
(Corso, 1963). Cette controverse est ancienne, puisque des psychophys
iciens classiques comme Fechner et Lotze optent pour la discontinuité, y
tandis que d'autres Delbœuf, Pierce, Jastrow ou Müller préfèrent/
concevoir que les impressions sensorielles évoluent de manière continuel
La question serait évidemment tranchée si une expérience mettant
en œuvre les techniques appropriées montrait l'existence de pas discrets
dans le continuum psychologique. Von Békésy (1930) obtint des résultats
de ce genre dans une étude du seuil différentiel dans le domaine de
l'audition. La procédure utilisée minimisait la variabilité associée à des
facteurs non sensoriels comme la fluctuation de l'attention, le change
ment de critère, etc. Avec l'élimination de cette externe, on a
supposé que le mécanisme réel de la discrimination était révélé.
La TQ a été revue et explicitée par Stevens et coll. (1941), par Miller
et Garner (1944), par Norman (1963), et par Larkin et Norman (1964).
Une revue critique de la théorie et de ses vérifications expérimentales
peut être trouvée dans Corso (1956), Stevens (1961) et Corso (1967).
Contrairement à l'hypothèse phi-gamma pour laquelle la fonction
psychométrique est une ogive normale, la TQ affirme que la relation
entre la proportion de jugements et les valeurs correspondantes du st
imulus est linéaire, comme indiqué dans la figure 4. Ceci implique que
la discrimination sensorielle est fondamentalement un processus dis
continu, caractérisé par des étapes discrètes (quantales). La TQ suppose
l'existence de deux continua : 1) un continuum physique des stimuli ;
et 2) un continuum psychologique (sensoriel) composé hypothétique-
ment d'unités nerveuses discrètes, les quanta. Des changements sur le
continuum physique sont associés à des variations sur le continuum
psychologique, c'est-à-dire sur le nombre de quanta qui sont activés.
Lorsque le nombre critique de quanta est activé par une stimulation,
celle-ci dépasse le seuil.
La fonction psychométrique théorique telle qu'elle est décrite dans
la figure 4 n'est cependant pas obtenue expérimentalement. Il faut
donc supposer, en outre, que la sensibilité d'un O ne demeure pas cons
tante, mais qu'elle fluctue aléatoirement, et que, de plus, ces fluctuations
peuvent atteindre et dépasser la valeur d'un quantum.
D'un point de vue expérimental, la TQ pose un certain nombre REVUES CRITIQUES 138
d'exigences, et non des moindres, qui sont toutes destinées à minimiser
les fluctuations aléatoires de la sensibilité (variabilités externe et
interne) qui masqueraient le caractère discret du continuum psycholo
gique. L'ensemble de ces exigences constitue une méthode propre, appelée
méthode quantale. 1) Elle requiert que les différentes valeurs du stimulus
soient présentées dans des ensembles de présentations par progressions
de même grandeur. 2) II faut recueillir toutes les observations au cours
ipo .
0,75 . repo
•8
0,50 :entage
1 Q25
0 1 2 3 A 56789
Intensité du signal*
Fig. 4. — Représentation de la fonction psychométrique
basée sur la théorie du quantum nerveux (TQ)
(D'après Corso, Psychol. Bull., 1956)
d'une seule session expérimentale. 3) L'O doit être très entraîné, et la
situation expérimentale conçue de telle sorte qu'elle lui permette de
maintenir un critère stable. 4) II convient de présenter, si nécessaire, un
signal d'avertissement, en vue de centrer l'attention et de lutter contre
la fatigue du sujet. 5) L'expérimentateur doit veiller à réduire le bruit
externe qui pourrait être dû aux appareils, par exemple. Dans le cas
du seuil différentiel, il faut, en outre : 6) réduire l'intervalle de temps
entre la présentation du stimulus-standard et du stimulus- variable ;
et 7) présenter la variable-stimulus pendant un très bref moment.
De telles exigences, bien qu'elles ne soient pas toutes particulières
à la TQ, ont été sévèrement critiquées, notamment par Blackwell (1953).
Les objections principales portent sur trois points. 1) Contrairement aux
théories classiques, la TQ ne permet qu'une seule méthode d'obtention J. GAUSSIN 139
des résultats, la méthode quantale, avec ses exigences rigoureuses et
l'utilisation de la réponse phénoménale de l'O. 2) Selon Blackwell (1953),
Kaster et Schœnfeld (1947) et Osgood (1953), l'O a tôt fait de découvrir
que les augmentations dans une série donnée de présentations sont de
même grandeur. Il est ainsi mis dans la possibilité de répondre aux
stimulations en s'ajustant à cette règle plutôt qu'en faisant usage de
l'information qui lui est fournie. 3) Le fait de recueillir toutes les données
au cours d'une seule session ne permet pas d'obtenir beaucoup de résul
tats, et réduit par conséquent le degré de confiance que l'on peut accorder
aux conclusions.
Plusieurs chercheurs ont tenté de retrouver les résultats positifs
de von Békésy. Certains y sont parvenus, d'autres non. Larkin et
Norman (1964), par exemple, ont obtenu des résultats qui confirment
la TQ. Mais une étude approfondie de Norman (1964) n'a pas permis
de montrer des discontinuités multiples sur le continuum psychologique.
En somme, les expériences qui confirment la TQ et celles qui l'infirment
sont également nombreuses (voir Corso, 1956, 1967).
LA THÉORIE DE LA DÉTECTION DES SIGNAUX (TDS)
La TDS s'est surtout développée au cours des années 1952 à 1954.
Parmi les principaux travaux de cette période, on relève ceux de Peter-
son et coll. (1954) de l'Université de Michigan, de Van Meter et Middle-
ton (1954), de Tanner et Swets (1954), de Swets et coll. (1955), de Tanner
et coll. (1956). Deux livres principaux présentent une vue d'ensemble
de la théorie et font le point des résultats expérimentaux ; ce sont ceux
de Swets (1964) et de Green et Swets (1966).
Selon la TDS, le seuil tel qu'il est conçu par les théories classiques,
ou bien n'existe pas, ou bien se situe tellement bajMju2iLji!iuilueiic^j3as
le comportement de l'O. La réponse de l'O se fonde sur deux mécanismes :
un mécanisme de prise d'information (sensorielle) et un mécanisme
de décision.
La TDS repose sur deux présupposés fondamentaux. 1) L'effet
psychologique résultant d'une observation est variable, que le signal
ait été ou non présent au cours de l'observation. En particulier, on
suppose qu'un bruit est toujours présent durant l'intervalle d'observat
ion, quelle que soit l'origine de ce bruit, interne ou externe par rapport
à l'O. Ce présupposé différencie déjà la TDS de la TQ, puisque cette
dernière suppose au contraire que le système sensoriel n'est pas bruyant,
et que la méthode quantale a précisément pour but de réduire tout bruit
induit. 2) L'effet psychologique, quelle que soit sa nature par ailleurs,
peut être représenté le long d'un axe (variable unidimensionnelle). L'O.
est supposé connaître — sans que ce terme implique un phénomène
conscient — la probabilité qu'a chaque effet psychologique (sensoriel)

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