El rango dinámico (abreviado como DR , DNR , [1] o DYR [2] ) es la relación entre los valores más grandes y más pequeños que puede asumir una determinada cantidad. Se utiliza a menudo en el contexto de señales , como el sonido y la luz . Se mide como una relación o como un valor logarítmico de base 10 ( decibelios ) o base 2 (duplicaciones, bits o paradas ) de la relación entre los valores de señal más grandes y más pequeños. [3]
El audio y el vídeo reproducidos electrónicamente a menudo se procesan para adaptar el material original con un rango dinámico amplio a un rango dinámico grabado más estrecho que se puede almacenar y reproducir más fácilmente; este procesamiento se denomina compresión de rango dinámico .
Los sentidos humanos de la vista y el oído tienen un rango dinámico relativamente alto. Sin embargo, un ser humano no puede realizar estas proezas 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 en realidad bastante limitado debido al deslumbramiento óptico . El rango dinámico instantáneo de la percepción auditiva humana también está sujeto a enmascaramiento , de modo que, por ejemplo, un susurro no se puede escuchar en entornos ruidosos.
Un ser humano es capaz de oír (y discernir de forma útil) cualquier cosa, desde un murmullo silencioso en una habitación insonorizada hasta el concierto de heavy metal más ruidoso. Tal diferencia puede superar 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] que varía 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 sola vez; el tensor del tímpano , el músculo estribo 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 a plena luz del sol , aunque en una noche sin luna los objetos reciben una milmillonésima parte (10 −9 ) de la iluminación que recibirían en un día soleado; un rango dinámico de 90 dB. El cambio de sensibilidad se logra en parte mediante ajustes del iris y cambios químicos lentos, que llevan algún tiempo.
En la práctica, es difícil para los humanos lograr la experiencia dinámica completa utilizando equipos electrónicos. Por ejemplo, una pantalla de cristal líquido (LCD) de buena calidad tiene un rango dinámico limitado a alrededor de 1000:1, [b] y algunos de los últimos sensores de imagen CMOS actuales [ ¿cuándo? ] han medido rangos dinámicos de alrededor de 23.000:1. [15] [c] La reflectancia del papel puede producir un rango dinámico de alrededor de 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]
Los ingenieros de audio utilizan el rango dinámico para describir la relación entre la amplitud de la señal más fuerte posible sin distorsión y el ruido de fondo , por ejemplo, de un micrófono o un altavoz . [18] Por lo tanto, el rango dinámico es la relación señal-ruido (SNR) para el caso en que la señal es la más fuerte posible para el sistema. Por ejemplo, si el techo de un dispositivo es de 5 V (rms) y el ruido de fondo 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 el 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 valor eficaz de la onda sinusoidal más grande y el ruido eficaz: [19]
Sin embargo, el rango dinámico utilizable puede ser mayor, ya que un dispositivo de grabación adecuadamente tramado puede grabar señales muy por debajo del nivel de ruido.
El disco compacto de 16 bits tiene un rango dinámico teórico sin distorsión 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 distorsión en forma de ruido , aprovechando la respuesta de frecuencia del oído humano . [21] [22]
El audio digital con cuantificación de 20 bits sin dithering es teóricamente capaz de un rango dinámico de 120 dB, mientras que 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 una 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 generalmente resultan de una preparación 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 señal de alto nivel, lo que resulta en una mayor distorsión y, si se aumenta, en un recorte . [23] Múltiples procesos de ruido determinan el nivel de ruido de un sistema. El ruido puede captarse a partir 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 fonográficos de 78 rpm tenían un rango dinámico de hasta 40 dB [24] , que pronto se redujo a 30 dB y a peor debido al desgaste por la reproducción repetida. Los discos fonográficos de vinilo con microsurcos suelen tener un rango dinámico de 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 modernos de dichas cintas señalan 45-50 dB como el 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 7 dB mayor, [28] : 158 y Ray Dolby desarrolló el sistema de reducción de ruido Dolby A-Type que aumentó el rango dinámico de frecuencia baja y media en cinta magnética en 10 dB, y la alta frecuencia en 15 dB, utilizando la compresión y expansión de cuatro bandas de frecuencia. [28] : 169 El pico de la tecnología de cinta magnética de grabación analógica profesional alcanzó un rango dinámico de 90 dB en las frecuencias de banda media con una distorsión del 3%, o aproximadamente 80 dB en aplicaciones prácticas de banda ancha. [28] : 158 El sistema de reducción de ruido Dolby SR proporcionó un aumento adicional de 20 dB en el rango, lo que dio como resultado 110 dB en las frecuencias de banda media con una distorsión del 3 %. [28] : 172
El rendimiento de las cintas de casete compactas varía de 50 a 56 dB según la fórmula de la cinta; las cintas de tipo IV ofrecen el mayor rango dinámico y los sistemas como XDR , dbx y el sistema de reducción de ruido Dolby lo aumentan aún más. Las mejoras especializadas en polarización y cabezal de grabación de Nakamichi y Tandberg combinadas con la reducción de ruido Dolby C dieron como resultado un rango dinámico de 72 dB para las cintas. [ 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 los niveles de distorsión aceptables en los micrófonos combinadas con las 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 con interferencias era necesario para una 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 nivel 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.
El término rango dinámico puede ser confuso en la producción de audio porque tiene dos definiciones conflictivas, particularmente en la comprensión del fenómeno de la guerra de sonoridad . [32] [33] El rango dinámico puede referirse a la microdinámica, [34] [35] [36] relacionada con el factor de cresta , [37] [38] mientras que la Unión Europea de Radiodifusión , en EBU3342 Rango de sonoridad, define el rango dinámico como la diferencia entre el volumen más bajo y el más alto, una cuestión de macrodinámica. [32] [33] [39] [40] [41] [42]
En electrónica el rango dinámico se utiliza en los siguientes contextos:
En aplicaciones de audio y electrónica, la relación involucrada es a menudo lo suficientemente grande como para ser convertida a un logaritmo y especificada en decibeles . [43]
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 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 señales de sensores 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. [43] 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 el promediado y otras formas de filtrado, la corrección de las características de los receptores, [43] la repetición de mediciones, las 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 realizadas a diferentes escalas (diferentes longitudes de onda) se pueden combinar para conservar la misma resolución de extremo inferior mientras se extiende el extremo superior del rango dinámico de medición en órdenes de magnitud.
En música , el rango dinámico describe la diferencia entre el volumen más bajo y el más alto de un instrumento , parte o pieza musical. [49] En la grabación moderna, este rango a menudo está limitado a través de la compresión del rango dinámico , que permite un volumen más alto, pero puede hacer que la grabación suene menos emocionante o en vivo. [50]
El rango dinámico de la música tal como se percibe normalmente en una sala de conciertos no supera los 80 dB, y el habla humana normalmente se percibe en un rango de aproximadamente 40 dB. [28] : 4
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 digital o película 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 formatos de archivo de imagen de consumo a veces restringen el rango dinámico. [57] La limitación más severa del rango dinámico en fotografía puede no involucrar la codificación, sino más bien la reproducción, por ejemplo, en una impresión en papel o en la pantalla de una computadora. En ese caso, no solo el mapeo local de tonos sino también el ajuste del 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 duraciones de exposición en diferentes áreas al hacer una impresión fotográfica) en el cuarto oscuro químico. El principio también es similar al control automático de nivel o de ganancia en el trabajo de audio, que sirve para mantener una señal audible en un entorno de escucha ruidoso y para evitar niveles pico que sobrecarguen el equipo de reproducción, o que sean anormalmente altos o incómodamente altos.
Si un sensor de cámara no es capaz de registrar el rango dinámico completo de una escena, se pueden utilizar técnicas de alto rango dinámico (HDR) en el posprocesamiento, que generalmente implican la combinación de múltiples exposiciones mediante software.
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ), "Copia archivada" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 2016-08-22 . Consultado el 2016-08-11 .{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ), "El método de adquisición de datos del sistema Sussex MK4 EIM" (PDF) . 24 de abril de 2014. Archivado (PDF) desde el original el 27 de agosto de 2016. Consultado el 11 de agosto de 2016 .El rango dinámico de la audición humana es de aproximadamente 120 dB.
podría decir que el rango dinámico práctico va desde el umbral de audición hasta el umbral del dolor [130 dB]
El rango dinámico general de la audición humana abarca aproximadamente 140 dB.
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )El sonido perceptible más bajo es de aproximadamente -8 dbSPL.
Por otro lado, también se puede ver en la Figura 1 que nuestra audición es ligeramente más sensible a frecuencias justo por encima de 1 kHz, donde los umbrales pueden ser tan bajos como −9 dB SPL.
Las sensibilidades máximas que se muestran en esta figura son equivalentes a una amplitud de presión sonora en la onda sonora de 10 μPa o: aproximadamente -6 dB (SPL). Tenga en cuenta que esto es para la escucha monoaural de un sonido presentado en la parte frontal del oyente. Para los sonidos presentados en el lado de escucha de la cabeza, hay un aumento en la sensibilidad máxima de aproximadamente 6 dB [−12 dB SPL] debido al aumento de la presión causado por la reflexión de la cabeza.
El límite superior de una intensidad de sonido tolerable aumenta sustancialmente con el aumento de la habituación. Además, se informa de una variedad de efectos subjetivos, como incomodidad, cosquilleo, presión y dolor, cada uno a un nivel ligeramente diferente. Como estimación de ingeniería simple, se puede decir que los oyentes inexpertos alcanzan un límite de aproximadamente 125 dB SPL y los oyentes experimentados de 135 a 140 dB.
Una cifra nominal para el umbral del dolor es de 130 decibeles... Algunas fuentes citan 120 dB como el umbral del dolor
el umbral del dolor se encuentra entre 120 y 140 dB SPL.
El audio digital con una resolución de 16 bits tiene un rango dinámico teórico de 96 dB, pero el rango dinámico real suele ser menor debido a la sobrecarga de los filtros que están integrados en la mayoría de los sistemas de audio". ... "Los CD de audio alcanzan una relación señal-ruido de aproximadamente 90 dB.
Con el uso de tramado moldeado, 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 los 120 dB en la práctica, más de quince veces más profundo que el supuesto de 96 dB. 120 dB 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 daño auditivo en segundos. 16 bits son suficientes para almacenar todo lo que podemos escuchar, y serán suficientes para siempre.
Uno de los grandes descubrimientos en PCM fue que, añadiendo un pequeño ruido aleatorio (que llamamos dither) el efecto de truncamiento puede desaparecer. Aún más importante fue la comprensión de que hay un tipo
correcto
de ruido aleatorio que añadir, y que cuando se utiliza el dither correcto, la resolución del sistema digital se vuelve
infinita
.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de septiembre de 2024 ( enlace )