El rango dinámico (abreviado DR , DNR , [1] o DYR [2] ) es la relación entre los valores más grandes y más pequeños que una determinada cantidad puede asumir. A menudo se utiliza 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 amplio rango dinámico a un rango dinámico grabado más estrecho que pueda almacenarse y reproducirse más fácilmente; este procesamiento se llama 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 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, no se puede escuchar un susurro en un ambiente ruidoso.
Un ser humano es capaz de oír (y discernir útilmente) 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 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 , 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 toman 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 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 vídeo profesional como la Sony Digital Betacam logra un rango dinámico superior a 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 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 alta 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 cuantización uniforme de Q bits se calcula como la relación entre la onda sinusoidal más grande rms y el ruido rms: [19]
Sin embargo, el rango dinámico utilizable puede ser mayor, ya que un dispositivo de grabación con interpolación adecuada puede grabar señales muy por debajo del nivel de ruido.
El disco compacto de 16 bits tiene un rango dinámico teórico sin interrupciones 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 interpolación en forma de ruido , aprovechando la respuesta de frecuencia del oído humano . [21] [22]
El audio digital con cuantificación de 20 bits sin interpolación es teóricamente capaz de alcanzar 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 representación de punto flotante de 32 bits, lo que ofrece un rango dinámico aún mayor, por lo que 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 puesta en escena de ganancia inadecuada , una técnica de grabación que incluye ruido ambiental y la aplicación intencional de compresión del rango dinámico .
El rango dinámico en 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, saturación . [23] Múltiples procesos de ruido determinan el nivel de ruido de un sistema. El ruido se puede captar del ruido propio del micrófono, el ruido del preamplificador, el ruido del cableado y de 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 por la reproducción repetida. Los discos fonográficos de vinilo con microsurcos 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]
En 1941 se informó que la cinta magnética alemana tenía un rango dinámico de 60 dB, [26] aunque los expertos en restauración de tales cintas de hoy en día señalan entre 45 y 50 dB como rango dinámico observado. [27] Las grabadoras de cinta Ampex en la década de 1950 alcanzaron 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 ruido Dolby A-Type Sistema de reducción que aumentó el rango dinámico de frecuencias bajas y medias en cinta magnética en 10 dB, y las frecuencias altas en 15 dB, utilizando compresión y expansión de cuatro bandas de frecuencia. [28] : 169 El pico de la tecnología de cinta de grabación magnética analógica profesional alcanzó un 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 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 casete compacto varía de 50 a 56 dB dependiendo de la formulación de la cinta; las cintas de tipo IV ofrecen el mayor rango dinámico y los sistemas como XDR , dbx y Dolby lo aumentan aún más. Las mejoras especializadas en el cabezal de grabación y la polarización realizadas por Nakamichi y Tandberg, combinadas con la reducción de ruido Dolby C, produjeron un rango dinámico de 72 dB para el casete. [ cita necesaria ]
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 sobre 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 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 ruido de fondo 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 resultar confuso en la producción de audio porque tiene dos definiciones contradictorias, particularmente en la comprensión del fenómeno de la guerra del volumen . [32] [33] El rango dinámico puede referirse a la microdinámica, [34] [35] [36] relacionado con el factor de cresta , [37] [38] 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 es 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 suele ser lo suficientemente grande como para convertirla en un logaritmo y especificarla 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 puede medir 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 que definen la sensibilidad del sensor o dispositivo de metrología. Cuando los sensores digitales o convertidores de señal de 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. [43] Por ejemplo, un sensor o convertidor digital de 12 bits puede proporcionar un rango dinámico en el que la relación entre el valor máximo medido y el valor mínimo medido 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 promedios y otras formas de filtrado, corrección de las características de los receptores, [43] repetición de mediciones, transformaciones no lineales para evitar la saturación, etc. En formas más avanzadas de metrología, como la holografía digital de longitudes de onda múltiples , las mediciones de interferometría se realizan a diferentes escalas ( diferentes longitudes de onda) se pueden combinar para conservar la misma resolución de gama baja 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 más alto de un instrumento , parte o pieza musical. [49] En la grabación moderna, este rango a menudo se limita mediante la compresión del rango dinámico , lo 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 unos 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 o película digital determinada puede capturar, [52] o el rango de opacidad de las imágenes de películas 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 archivos de imágenes de consumo a veces restringen el rango dinámico. [57] La limitación más severa del rango dinámico en fotografía puede no implicar la codificación, sino más bien la reproducción en, por ejemplo, una impresión en papel o una pantalla de computadora. En ese caso, no sólo el mapeo de tonos local 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 (usando diferentes duraciones de exposición en diferentes áreas al tomar una fotografía). imprimir) en el cuarto oscuro químico. El principio también es similar al de ganancia o control automático de nivel en trabajos de audio, que sirve para mantener una señal audible en un ambiente de escucha ruidoso y para evitar niveles máximos que sobrecarguen el equipo de reproducción, o que sean anormalmente altos o incómodos.
Si el sensor de una cámara es incapaz de grabar todo el rango dinámico de una escena, se pueden utilizar técnicas de alto rango dinámico (HDR) en el posprocesamiento, que generalmente implican combinar múltiples exposiciones mediante software.
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace ), "Copia archivada" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 22 de agosto de 2016 . Consultado el 11 de agosto de 2016 .{{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace ), "El método de adquisición de datos del sistema EIM Sussex MK4" (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 del oído humano es [aproximadamente] 120 dB.
Se 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}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )El sonido perceptible más bajo es de aproximadamente -8 dBSPL.
Por otro lado, también 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 equivalen 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 escuchar monoauralmente un sonido presentado frente al 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 causada por la reflexión de la cabeza.
El límite superior para una intensidad de sonido tolerable aumenta sustancialmente a medida que aumenta 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 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 130 decibeles... Algunas fuentes citan 120 dB como umbral del dolor.
el umbral de dolor está 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 integrados en la mayoría de los sistemas de audio". ... "Los CD de audio alcanzan alrededor de 90 dB relación señal-ruido.
Con el uso de interpolación moldeada, que mueve la energía del ruido de cuantificación a frecuencias donde es más difícil escuchar, el rango dinámico efectivo del audio de 16 bits alcanza los 120 dB en la práctica, más de quince veces más profundo que los 96 dB afirmados. 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 del PCM fue que añadiendo 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 que agregar y que cuando se utiliza el dither correcto, la resolución del sistema digital se vuelve
infinita
.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )