El rango dinámico (abreviado DR , DNR , [1] o DYR [2] ) es la relación entre los valores más grandes y más pequeños que puede asumir una determinada cantidad. A menudo se usa en el contexto de señales , como sonido y luz . Se mide como una relación o como un valor logarítmico de base 10 ( decibelios ) o base 2 (duplicaciones, bits o paradas ) de la diferencia entre los valores de señal más pequeños y más grandes. [3]
El audio y el video reproducidos electrónicamente a menudo se procesan para ajustar el material original con un rango dinámico amplio en un rango dinámico grabado más estrecho que se puede almacenar y reproducir más fácilmente; este procesamiento se denomina compresión de rango dinámico .
Percepcion humana
Factor (potencia) | Decibeles | Se detiene |
---|---|---|
1 | 0 | 0 |
2 | 3,01 | 1 |
3,16 | 5 | 1,66 |
4 | 6.02 | 2 |
5 | 6,99 | 2,32 |
8 | 9.03 | 3 |
10 | 10 | 3.32 |
dieciséis | 12,0 | 4 |
20 | 13,0 | 4.32 |
31,6 | 15 | 4,98 |
32 | 15,1 | 5 |
50 | 17.0 | 5,64 |
100 | 20 | 6,64 |
1.000 | 30 | 9,97 |
1.024 | 30,1 | 10 |
10,000 | 40 | 13,3 |
100.000 | 50 | 16.6 |
1,000,000 | 60 | 19,9 |
1.048.576 | 60,2 | 20 |
100.000.000 | 80 | 26,6 |
1.073.741.824 | 90,3 | 30 |
10,000,000,000 | 100 | 33,2 |
Los sentidos humanos de la vista y el oído tienen un rango dinámico relativamente alto. Sin embargo, un humano no puede realizar estas hazañas de percepción en ambos extremos de la escala al mismo tiempo. El ojo humano necesita tiempo para adaptarse a diferentes niveles de luz y su rango dinámico en una escena determinada es bastante limitado debido al deslumbramiento óptico . El rango dinámico instantáneo de la percepción de audio humana está igualmente sujeto a enmascaramiento de modo que, por ejemplo, no se puede escuchar un susurro en entornos ruidosos.
Un humano es capaz de escuchar (y discernir de manera útil) cualquier cosa, desde un murmullo silencioso en una habitación insonorizada hasta el concierto de heavy metal más ruidoso. Tal diferencia puede exceder los 100 dB, lo que representa un factor de 100.000 en amplitud y un factor de 10.000.000.000 en potencia. [4] [5] El rango dinámico de la audición humana es de aproximadamente 140 dB, [6] [7] variando con la frecuencia, [8] desde el umbral de audición (alrededor de −9 dB SPL [8] [9] [10] a 3 kHz) hasta el umbral del dolor (de 120 a 140 dB SPL [11] [12] [13] ). Sin embargo, este amplio rango dinámico no se puede percibir de una vez; el tensor del tímpano , el músculo estapedio y las células ciliadas externas actúan como compresores mecánicos de rango dinámico para ajustar la sensibilidad del oído a diferentes niveles ambientales. [14]
Un ser humano puede ver objetos a la luz de las estrellas [a] o bajo la luz del sol brillante, aunque en una noche sin luna los objetos reciben 1 / 1.000.000.000 de la iluminación que recibirían en un día soleado; un rango dinámico de 90 dB.
En la práctica, es difícil para los humanos lograr la experiencia dinámica completa utilizando equipos electrónicos. Por ejemplo, una pantalla LCD de buena calidad tiene un rango dinámico limitado a alrededor de 1000: 1, [b] y algunos de los últimos sensores de imagen CMOS ahora [ ¿cuándo? ] han medido rangos dinámicos de aproximadamente 23.000: 1. [15] [c] La reflectancia del papel puede producir un rango dinámico de aproximadamente 100: 1. [16] Una cámara de video profesional como la Sony Digital Betacam logra un rango dinámico de más de 90 dB en la grabación de audio. [17]
Audio
Los ingenieros de audio utilizan el rango dinámico para describir la relación entre la amplitud de la señal no distorsionada más alta posible y el ruido de fondo , por ejemplo, de un micrófono o un altavoz . [18] El rango dinámico es, por lo tanto, la relación señal / ruido (SNR) para el caso en que la señal sea lo más fuerte posible para el sistema. Por ejemplo, si el techo de un dispositivo es de 5 V (rms) y el piso de ruido es de 10 µV (rms), entonces el rango dinámico es 500000: 1 o 114 dB:
En la teoría del audio digital, el rango dinámico está limitado por un error de cuantificación . El rango dinámico máximo alcanzable para un sistema de audio digital con cuantificación uniforme de Q- bits se calcula como la relación entre el rms de onda sinusoidal más grande y el ruido rms es: [19]
Sin embargo, el rango dinámico utilizable puede ser mayor, ya que un dispositivo de grabación correctamente difuminado puede grabar señales muy por debajo del piso de ruido.
El disco compacto de 16 bits tiene un rango dinámico no atenuado teórico de aproximadamente 96 dB; [20] [d] sin embargo, el rango dinámico percibido del audio de 16 bits puede ser de 120 dB o más con un tramado en forma de ruido , aprovechando la respuesta de frecuencia del oído humano . [21] [22]
El audio digital con cuantificación de 20 bits no atenuada es teóricamente capaz de un rango dinámico de 120 dB. El audio digital de 24 bits ofrece un rango dinámico de 144 dB. [6] La mayoría de las estaciones de trabajo de audio digital procesan audio con representación de punto flotante de 32 bits que ofrece un rango dinámico aún mayor y, por lo tanto, la pérdida de rango dinámico ya no es una preocupación en términos de procesamiento de audio digital . Las limitaciones del rango dinámico suelen ser el resultado de una puesta en escena de ganancia inadecuada , una técnica de grabación que incluye ruido ambiental y la aplicación intencional de compresión de rango dinámico .
El rango dinámico en el audio analógico es la diferencia entre el ruido térmico de bajo nivel en los circuitos electrónicos y la saturación de la señal de alto nivel, lo que da como resultado una mayor distorsión y, si se empuja más alto, un recorte . [23] Múltiples procesos de ruido determinan el piso de ruido de un sistema. El ruido se puede captar del ruido propio del micrófono, el ruido del preamplificador, el ruido del cableado y la interconexión, el ruido de los medios, etc.
Los primeros discos de fonógrafo de 78 rpm tenían un rango dinámico de hasta 40 dB, [24] pronto se redujo a 30 dB y peor debido al desgaste de la reproducción repetida. Los discos fonográficos con microsurcos de vinilo suelen producir entre 55 y 65 dB, aunque la primera reproducción de los anillos exteriores de mayor fidelidad puede alcanzar un rango dinámico de 70 dB. [25]
Se informó que la cinta magnética alemana en 1941 tenía un rango dinámico de 60 dB, [26] aunque los expertos en restauración de este tipo de cintas notan entre 45 y 50 dB como rango dinámico observado. [27] Las grabadoras de cinta Ampex en la década de 1950 lograron 60 dB en el uso práctico, [26] En la década de 1960, las mejoras en los procesos de formulación de cintas dieron como resultado un rango mayor de 7 dB, [28] : 158 y Ray Dolby desarrolló el ruido Dolby A-Type sistema de reducción que incrementó el rango dinámico de baja y media frecuencia en una cinta magnética en 10 dB y el de alta frecuencia en 15 dB, usando companding (compresión y expansión) de cuatro bandas de frecuencia. [28] : 169 El pico de la tecnología de cinta de grabación magnética analógica profesional alcanzó el rango dinámico de 90 dB en las frecuencias de banda media con una distorsión del 3%, o alrededor de 80 dB en aplicaciones prácticas de banda ancha. [28] : 158 El sistema de reducción de ruido Dolby SR proporcionó un rango aumentado adicional de 20 dB, lo que resultó en 110 dB en las frecuencias de banda media con una distorsión del 3%. [28] : 172
El rendimiento de la cinta de cassette compacta varía de 50 a 56 dB según la formulación de la cinta, con cintas de tipo IV que ofrecen el mayor rango dinámico y sistemas como XDR , dbx y sistema de reducción de ruido Dolby que lo aumentan aún más. Las mejoras especializadas en el sesgo y el cabezal de grabación de Nakamichi y Tandberg, combinadas con la reducción de ruido Dolby C, produjeron un rango dinámico de 72 dB para el casete. [ cita requerida ]
Un micrófono dinámico es capaz de soportar una alta intensidad de sonido y puede tener un rango dinámico de hasta 140 dB. Los micrófonos de condensador también son resistentes, pero su rango dinámico puede verse limitado por la sobrecarga de sus circuitos electrónicos asociados. [29] Las consideraciones prácticas de niveles aceptables de distorsión en micrófonos combinados con prácticas típicas en un estudio de grabación dan como resultado un rango dinámico útil de 125 dB. [28] : 75
En 1981, los investigadores de Ampex determinaron que un rango dinámico de 118 dB en un flujo de audio digital difuminado era necesario para la reproducción subjetiva de música sin ruido en entornos de escucha silenciosos. [30]
Desde principios de la década de 1990, varias autoridades, incluida la Audio Engineering Society , han recomendado que las mediciones del rango dinámico se realicen con una señal de audio presente, que luego se filtra en la medición del piso de ruido utilizada para determinar el rango dinámico. [31] Esto evita mediciones cuestionables basadas en el uso de medios en blanco o circuitos de silenciamiento.
Video
Cuando se muestra una película o un juego, una pantalla puede mostrar tanto escenas nocturnas con sombras como escenas iluminadas por el sol al aire libre, pero de hecho el nivel de luz que proviene de la pantalla es muy similar para ambos tipos de escena (quizás diferente en un factor de 10). Sabiendo que la pantalla no tiene un rango dinámico enorme, los productores no intentan hacer que las escenas nocturnas sean más tenues que las escenas diurnas, sino que utilizan otras señales para sugerir la noche o el día. Una escena nocturna generalmente contendrá colores más apagados y, a menudo, estará iluminada con luz azul, que refleja la forma en que las células de bastón sensibles en el ojo humano ven los colores a niveles bajos de luz.
Electrónica
En electrónica, el rango dinámico se utiliza en los siguientes contextos:
- Especifica la relación entre un nivel máximo de un parámetro , como potencia , corriente , voltaje [32] o frecuencia , y el valor mínimo detectable de ese parámetro. (Consulte Medidas del sistema de audio ).
- En un sistema de transmisión , la relación entre el nivel de sobrecarga (la potencia de señal máxima que el sistema puede tolerar sin distorsión de la señal) y el nivel de ruido del sistema.
- En sistemas o dispositivos digitales , la relación de niveles de señal máximos y mínimos necesarios para mantener una relación de errores de bits especificada .
- La optimización del ancho de bits de la ruta de datos digitales (de acuerdo con los rangos dinámicos de la señal) puede reducir el área, el costo y el consumo de energía de los circuitos y sistemas digitales al tiempo que mejora su rendimiento. El ancho de bit óptimo para una ruta de datos digitales es el ancho de bit más pequeño que puede satisfacer la relación señal / ruido requerida y también evitar el desbordamiento. [33] [34] [35] [36] [37] [ verificación necesaria ]
En aplicaciones de audio y electrónica, la relación involucrada suele ser lo suficientemente grande como para convertirla a un logaritmo y especificarla en decibelios . [32]
Metrología
En metrología , como cuando se realiza en apoyo de objetivos científicos, de ingeniería o de fabricación, el rango dinámico se refiere al rango de valores que se pueden medir con un sensor o instrumento de metrología. A menudo, este rango dinámico de medición está limitado en un extremo del rango por la saturación de un sensor de señal de detección o por los límites físicos que existen en el movimiento u otra capacidad de respuesta de un indicador mecánico. El otro extremo del rango dinámico de medición a menudo está limitado por una o más fuentes de ruido aleatorio o incertidumbre en los niveles de señal que pueden describirse como la definición de la sensibilidad del sensor o dispositivo de metrología. Cuando los sensores digitales o los convertidores de señal del sensor son un componente del sensor o dispositivo de metrología, el rango dinámico de medición también estará relacionado con el número de dígitos binarios (bits) utilizados en una representación numérica digital en la que el valor medido está relacionado linealmente con el número digital. [32] Por ejemplo, un sensor o convertidor digital de 12 bits puede proporcionar un rango dinámico en el que la relación entre el valor medido máximo y el valor medido mínimo es de hasta 2 12 = 4096.
Los sistemas y dispositivos de metrología pueden utilizar varios métodos básicos para aumentar su rango dinámico básico. Estos métodos incluyen promediar y otras formas de filtrado, corrección de las características de los receptores, [32] repetición de mediciones, transformaciones no lineales para evitar la saturación, etc. En formas más avanzadas de metrología, como la holografía digital de múltiples longitudes de onda , las mediciones de interferometría se realizan a diferentes escalas ( diferentes longitudes de onda) se pueden combinar para mantener la misma resolución de extremo bajo mientras se extiende el extremo superior del rango dinámico de medición en órdenes de magnitud.
Música
En música , el rango dinámico describe la diferencia entre el volumen más bajo y el más alto de un instrumento , parte o pieza musical. [38] En la grabación moderna, este rango a menudo está limitado a través de la compresión de rango dinámico , que permite un volumen más alto, pero puede hacer que la grabación suene menos emocionante o en vivo. [39]
El término rango dinámico puede resultar confuso en la música porque tiene dos definiciones contradictorias, particularmente en la comprensión del fenómeno de la guerra de sonoridad . [40] [41] El rango dinámico puede referirse a micro-dinámica, [42] [43] [44] relacionado con el factor de cresta , [45] [46] mientras que la Unión Europea de Radiodifusión , en EBU3342 Loudness Range, define el rango dinámico como la diferencia entre el volumen más bajo y el más alto, una cuestión de macro-dinámica. [40] [41] [47] [48] [49] [50]
El rango dinámico de la música como se percibe normalmente en una sala de conciertos no supera los 80 dB, y el habla humana se percibe normalmente en un rango de unos 40 dB. [28] : 4
Fotografía
Los fotógrafos utilizan el rango dinámico para describir el rango de luminancia de una escena que se está fotografiando, o los límites del rango de luminancia que una cámara o película digital determinada puede capturar, [52] o el rango de opacidad de las imágenes de película reveladas, o el rango de reflectancia de las imágenes en papeles fotográficos.
El rango dinámico de la fotografía digital es comparable a las capacidades de la película fotográfica [53] y ambas son comparables a las capacidades del ojo humano. [54]
Existen técnicas fotográficas que admiten un rango dinámico aún mayor.
- Los filtros de densidad neutra graduados se utilizan para disminuir el rango dinámico de luminancia de la escena que se puede capturar en una película fotográfica (o en el sensor de imagen de una cámara digital ): el filtro se coloca delante de la lente en el momento en que se realiza la exposición; la mitad superior es oscura y la mitad inferior es clara. El área oscura se coloca sobre la región de alta intensidad de una escena, como el cielo. El resultado es una exposición más uniforme en el plano focal, con un mayor detalle en las sombras y áreas con poca luz. Aunque esto no aumenta el rango dinámico fijo disponible en la película o el sensor, amplía el rango dinámico utilizable en la práctica. [55]
- Las imágenes de alto rango dinámico superan el rango dinámico limitado del sensor al combinar selectivamente múltiples exposiciones de la misma escena para retener los detalles en áreas claras y oscuras. El mapeo de tonos mapea la imagen de manera diferente en sombras y luces para distribuir mejor el rango de iluminación en la imagen. El mismo enfoque se ha utilizado en fotografía química para capturar un rango dinámico extremadamente amplio: una película de tres capas con cada capa subyacente a 1/100 de la sensibilidad de la siguiente superior, por ejemplo, se ha utilizado para registrar pruebas de armas nucleares. . [56]
Los formatos de archivo de imagen de consumo a veces restringen el rango dinámico. [57] La limitación de rango dinámico más severa en la fotografía puede no involucrar la codificación, sino la reproducción en, digamos, una impresión en papel o una pantalla de computadora. En ese caso, no solo el mapeo de tonos local, sino también el ajuste de rango dinámico pueden ser efectivos para revelar detalles en áreas claras y oscuras: el principio es el mismo que el de esquivar y quemar (usar diferentes longitudes de exposición en diferentes áreas al hacer una fotografía imprimir) en el cuarto oscuro químico. El principio también es similar a la conducción por ganancia o al control de nivel automático en el trabajo de audio, que sirve para mantener una señal audible en un entorno de escucha ruidoso y para evitar niveles máximos que sobrecarguen el equipo de reproducción, o que tengan un volumen anormal o incómodo.
Si el sensor de una cámara es incapaz de grabar el rango dinámico completo de una escena, se pueden usar técnicas de alto rango dinámico (HDR) en el posprocesamiento, que generalmente implica la combinación de múltiples exposiciones mediante software.
Dispositivo | Se detiene | Relación de contraste |
---|---|---|
Papel fotográfico brillante | 7 (7 - 7 2/3) [58] | 128: 1 |
LCD | 9.5 (8 - 10.8) [ cita requerida ] | 700: 1 (250: 1 - 1750: 1) |
Película negativa ( Kodak VISION3 ) | 13 [59] | 8000: 1 |
Ojo humano | 10-14 [54] | 1000: 1 - 16000: 1 |
Cámara DSLR de gama alta ( Nikon D850 ) | 14,8 [60] | 28500: 1 |
Cámara de cine digital ( Red Weapon 8k ) | 16,5 o más [61] | 92000: 1 |
Ver también
- Guerra de sonoridad
- Alto rango dinámico
- Imágenes de alto rango dinámico
- Renderizado de alto rango dinámico
- Video de alto rango dinámico
- Resaltar espacio para la cabeza
- Fraccionamiento de rango
- Rango dinámico libre de espurios
Notas
- ^ La diferenciación de color se reduce a niveles bajos de luz.
- ^ Comercialmente, el rango dinámico a menudo se denomina relación de contraste, lo que significa relación de luminancia total a total.
- ^ Informado como 14,5 pasos , o duplicaciones, equivalentes a dígitos binarios .
- ^ La cifra de 96 dB es para un triángulo o una onda sinusoidal . El rango dinámico es de 98 dB para la onda sinusoidal [19] (consulte el modelo de ruido de cuantificación ).
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Se podría decir que el rango dinámico práctico va desde el umbral de audición hasta el umbral de dolor [130 dB]
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El sonido perceptible más silencioso es de aproximadamente -8dbSPL
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Por otro lado, también puede ver en la Figura 1 que nuestra audición es un poco más sensible a las frecuencias justo por encima de 1 kHz, donde los umbrales pueden ser tan bajos como -9 dBSPL.
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Las sensibilidades máximas que se muestran en esta figura son equivalentes a una amplitud de presión de sonido en la onda de sonido de 10 μPa o: aproximadamente -6 dB (SPL). Tenga en cuenta que esto es para escuchar monoaural un sonido presentado al frente del oyente. Para los sonidos presentados en el lado de escucha del parche, hay un aumento en la sensibilidad máxima de aproximadamente 6 dB [−12 dB SPL] debido al aumento de presión causado por el reflejo del parche.
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El límite superior para una intensidad de sonido tolerable aumenta sustancialmente con el aumento de la habituación. Además, se informa una variedad de efectos subjetivos, como malestar, cosquilleo, presión y dolor, cada uno en un nivel ligeramente diferente. Como simple estimación de ingeniería, se puede decir que los oyentes ingenuos alcanzan un límite de aproximadamente 125 dB SPL y los oyentes experimentados de 135 a 140 dB.
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El audio digital a una resolución de 16 bits tiene un rango dinámico teórico de 96 dB, pero el rango dinámico real suele ser más bajo debido a la sobrecarga de los filtros que están integrados en la mayoría de los sistemas de audio. "..." Los CD de audio alcanzan aproximadamente 90 dB relación señal-ruido.
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Con el uso del dither con forma, que mueve la energía del ruido de cuantificación a frecuencias donde es más difícil de escuchar, el rango dinámico efectivo del audio de 16 bits alcanza en la práctica 120dB, más de quince veces más profundo que la afirmación de 96dB. 120dB es mayor que la diferencia entre un mosquito en algún lugar de la misma habitación y un martillo neumático a un pie de distancia ... o la diferencia entre una habitación desierta 'insonorizada' y un sonido lo suficientemente fuerte como para causar daños auditivos en segundos. 16 bits son suficientes para almacenar todo lo que podemos escuchar, y serán suficientes para siempre.
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Uno de los grandes descubrimientos en PCM fue que, al agregar un pequeño ruido aleatorio (que llamamos dither), el efecto de truncamiento puede desaparecer. Aún más importante fue darse cuenta de que hay un tipo correcto de ruido aleatorio para agregar, y que cuando se usa el tramado correcto, la resolución del sistema digital se vuelve infinita .
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Lista externa
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