Rango dinámico
Relación entre el valor mayor y el valor menor que puede asumir una determinada cantidad

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 .

Percepción humana

Relaciones de potencia y sus decibeles y paradas equivalentes (valores enteros en negrita)
Factor (potencia)Decibeles
( potencia 10×log 10 )		Paradas
( log 2 de potencia )
100
23.011
3.1651.66
46.022
56,992.32
89.033
10103.32
1612.04
2013.04.32
31.6154,98
3215.15
5017.05.64
100206.64
1.000309,97
1.02430.110
10.0004013.3
100.0005016.6
1.000.0006019.9
1.048.57660.220
100.000.0008026.6
1.073.741.82490.330
10.000.000.00010033.2

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]

Audio

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:

20 × registro 10 ⁡ ( 5 V 10 micras V ) = 20 × registro 10 ⁡ ( 500000 ) = 20 × 5.7 = 114 d B {\displaystyle 20\times \log _{10}\left({\frac {\rm {5\,V}}{10\,\mu \mathrm {V} }}\right)=20\times \log _{10}(500000)=20\times 5.7=114\,\mathrm {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]

D R A D do = 20 × registro 10 ⁡ ( 2 Q 1 ) = ( 6.02 ⋅ Q )   d B {\displaystyle \mathrm {DR_{ADC}} = 20\times \log _{10}\left({\frac {2^{Q}}{1}}\right)=\left(6.02\cdot Q\right)\ \mathrm {dB} \,\!}

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]

Electrónica

En electrónica el rango dinámico se utiliza en los siguientes contextos:

  • Especifica la relación entre el nivel máximo de un parámetro , como potencia , corriente , voltaje [43] o frecuencia , y el valor mínimo detectable de ese parámetro. (Consulte Mediciones del sistema de audio ).
  • En un sistema de transmisión , la relación entre el nivel de sobrecarga (la potencia máxima de señal que el sistema puede tolerar sin distorsión de la señal) y el nivel de ruido del sistema.
  • En sistemas o dispositivos digitales , la relación entre los niveles de señal máximo y mínimo necesarios para mantener una tasa de error de bits especificada .
  • La optimización del ancho de bits de la ruta de datos digitales (según los rangos dinámicos de la señal) puede reducir el área, el costo y el consumo de energía de los circuitos y sistemas digitales, al mismo tiempo que mejora su rendimiento. El ancho de bits óptimo para una ruta de datos digitales es el ancho de bits más pequeño que puede satisfacer la relación señal-ruido requerida y también evitar el desbordamiento. [44] [45] [46] [47] [48] [ verificación necesaria ]

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]

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 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.

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. [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 

Fotografía

Una escena que exige un alto rango dinámico, tomada con la cámara digital Nikon D7000 , capaz de alcanzar 13,9 pasos de rango dinámico según DxOMark . [51] La versión sin editar de la foto digital se encuentra a la izquierda, mientras que las sombras se han mejorado considerablemente en Photoshop para producir la imagen final a la derecha. Cuanto mejor sea el rango dinámico de la cámara, más se puede mejorar la exposición sin aumentar significativamente el ruido .

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 filtros de densidad neutra graduados se utilizan para reducir el rango dinámico de la 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 del objetivo en el momento de la exposición; la mitad superior es oscura y la mitad inferior es clara. La zona oscura se coloca sobre la región de alta intensidad de la escena, como el cielo. El resultado es una exposición más uniforme en el plano focal, con mayor detalle en las sombras y las zonas 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]
  • La obtención de imágenes de alto rango dinámico supera el rango dinámico limitado del sensor combinando selectivamente múltiples exposiciones de la misma escena para conservar los detalles en las áreas claras y oscuras. El mapeo de tonos mapea la imagen de manera diferente en las sombras y las altas luces para distribuir mejor el rango de iluminación en la imagen. El mismo enfoque se ha utilizado en la fotografía química para capturar un rango dinámico extremadamente amplio: por ejemplo, se ha utilizado una película de tres capas con cada capa subyacente a una centésima (10 −2 ) de la sensibilidad de la siguiente capa superior para registrar pruebas de armas nucleares. [56]

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.

Rangos dinámicos de dispositivos comunes
DispositivoParadasRelación de contraste
Papel fotográfico brillante7 ( 7–7+2 ⁄ 3 ) [58]128:1
Pantalla LCD9.5 (9-11) [59]700:1 (500:1 – 2000:1)
Cámara típica de un teléfono móvil~10 [60] [ verificación fallida ]varía
Película negativa ( Kodak VISION3 )13 [61]8000:1
Ojo humano10–14 [54]1000:1 –16 000 :1
OLED o punto cuántico13.2-20.9 [62]9500:1 –2 000 000 :1
Cámara DSLR de alta gama ( Nikon D850 )14.8 [63]28 500 :1
Cámara de cine digital ( Red Weapon 8k )> 16,5 [64]92 000 :1

Véase también

Notas

  1. ^ La diferenciación de color se reduce en niveles bajos de luz.
  2. ^ Comercialmente, el rango dinámico a menudo se denomina relación de contraste , es decir, la relación de luminancia de encendido a apagado total .
  3. ^ Se informa como 14,5 paradas o duplicaciones, equivalentes a dígitos binarios .
  4. ^ La cifra de 96 dB corresponde a una onda triangular o sinusoidal . El rango dinámico es de 98 dB para una onda sinusoidal [19] (consulte el modelo de ruido de cuantificación ).

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Lista externa

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