Gama dinámica

Rango dinámico (abreviado DR, DNR o DYR) es la relación entre el mayor y el menor valores que puede asumir una determinada cantidad. A menudo se usa 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 diferencia entre los valores de señal más pequeños y más grandes.

El audio y el video 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 llama compresión de rango dinámico.

Percepción humana

Los sentidos humanos de la vista y el oído tienen un rango dinámico relativamente alto. Sin embargo, un ser humano no puede realizar estas hazañas de percepción en ambos extremos de la escala al mismo tiempo. El ojo humano tarda en adaptarse a los 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 del audio humano está igualmente sujeto a enmascaramiento, por lo que, por ejemplo, no se puede escuchar un susurro en un entorno ruidoso.

Un humano es capaz de escuchar (y discernir útilmente) 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. El rango dinámico de la audición humana es de aproximadamente 140 dB, que varía con la frecuencia, desde el umbral de la audición (alrededor de −9 dB SPL a 3 kHz) hasta el umbral del dolor (de 120 a 140 dB SPL). Sin embargo, este amplio rango dinámico no se puede percibir de una sola 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.

Un ser humano puede ver objetos a la luz de las estrellas 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.

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, y algunos de los últimos sensores de imagen CMOS ahora tienen rangos dinámicos medidos de alrededor de 23 000:1. La reflectancia del papel puede producir un rango dinámico de alrededor de 100:1. Una cámara de video profesional como la Sony Digital Betacam logra un rango dinámico de más de 90 dB en la grabación de audio.

Sonido

Los ingenieros de audio utilizan el rango dinámico para describir la relación entre la amplitud de la señal sin distorsiones más alta posible y el ruido de fondo, por ejemplo, de un micrófono o un altavoz. Por lo tanto, el rango dinámico es 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), el rango dinámico es 500000:1 o 114 dB:

20× × log10⁡ ⁡ ()5V10μ μ V)=20× × log10⁡ ⁡ ()500000)=20× × 5.7=114dB{displaystyle 20times log _{10}left({frac {rm {5,V}{10,mu mathrm {V}}right)=20times log _{10}(500000)=20times 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 bits Q se calcula como la relación entre el rms de onda sinusoidal más grande y el ruido rms:

DRADC=20× × log10⁡ ⁡ ()2Q1)=()6.02⋅ ⋅ Q)dB{displaystyle mathrm {DR_{ADC} =20times log _{10}left({frac {2^{Q}{1}}right)=left(6.02cdot Qright)mathrm {dB} ,!}}

Sin embargo, el rango dinámico utilizable puede ser mayor, ya que un dispositivo de grabación interpolado correctamente puede grabar señales muy por debajo del ruido de fondo.

El disco compacto de 16 bits tiene un rango dinámico teórico constante de aproximadamente 96 dB; sin embargo, el rango dinámico percibido del audio de 16 bits puede ser de 120 dB o más con tramado en forma de ruido, aprovechando la respuesta de frecuencia del oído humano.

El audio digital con cuantificación de 20 bits sin dithering 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. La mayoría de las estaciones de trabajo de audio digital procesan el audio con una representación de punto flotante de 32 bits 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 son el resultado de una puesta en escena de ganancia inadecuada, una técnica de grabación que incluye el ruido ambiental y la aplicación intencional de la compresión del rango dinámico.

El rango dinámico en el audio analógico es la diferencia entre el ruido térmico de bajo nivel en el circuito electrónico y la saturación de la señal de alto nivel, lo que da como resultado una mayor distorsión y, si se eleva más, un recorte. Múltiples procesos de ruido determinan el ruido de fondo de un sistema. El ruido puede ser captado por el 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, que pronto se redujo a 30 dB y peor debido al desgaste por la reproducción repetida. Los discos fonográficos de microsurco de vinilo normalmente producen 55-65 dB, aunque la primera reproducción de los anillos exteriores de mayor fidelidad puede alcanzar un rango dinámico de 70 dB.

Se informó que la cinta magnética alemana en 1941 tenía un rango dinámico de 60 dB, aunque los expertos en restauración de este tipo de cintas de hoy en día señalan 45-50 dB como el rango dinámico observado. Las grabadoras de cinta Ampex en la década de 1950 lograron 60 dB en el uso práctico. En la década de 1960, las mejoras en los procesos de formulación de cinta dieron como resultado un rango 7 dB mayor, y Ray Dolby desarrolló el sistema de reducción de ruido Dolby A-Type que aumentó la dinámica de frecuencia baja y media. rango en cinta magnética por 10 dB, y alta frecuencia por 15 dB, usando compansión (compresión y expansión) de cuatro bandas de frecuencia. 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. El sistema de reducción de ruido Dolby SR brindó un rango adicional de 20 dB que resultó en 110 dB en las frecuencias de banda media con una distorsión del 3 %.

El rendimiento de la cinta de casete compacto oscila entre 50 y 56 dB, según la formulación 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 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.

Un micrófono dinámico puede 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. Las consideraciones prácticas de los niveles de distorsión aceptables en los micrófonos combinados con las prácticas típicas en un estudio de grabación dan como resultado un rango dinámico útil de 125 dB.

En 1981, los investigadores de Ampex determinaron que era necesario un rango dinámico de 118 dB en un flujo de audio digital interpolado para reproducir música subjetivamente sin ruido en entornos silenciosos.

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.. 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 en conflicto, particularmente en la comprensión del fenómeno de la guerra de sonoridad. El rango dinámico puede referirse a la microdinámica, relacionada con el factor de cresta, mientras que la Unión Europea de Radiodifusión, en EBU3342 Rango de sonoridad, define el rango dinámico como la diferencia entre el sonido más bajo y el más alto. volumen, una cuestión de macrodinámica.

Electrónica

En electrónica, el rango dinámico se usa en los siguientes contextos:

• Especifica la relación de un nivel máximo de un parámetro, como potencia, corriente, voltaje o frecuencia, al valor mínimo detectable de ese parámetro. (Ver las mediciones del sistema de audio.)
• En un sistema de transmisión, la relación del nivel de sobrecarga (la potencia máxima de señal que el sistema puede tolerar sin distorsión de la señal) al nivel de ruido del sistema.
• En sistemas o dispositivos digitales, la proporción de niveles máximos y mínimos de señal requeridos para mantener una relación de error de bits especificada.
• Optimización del ancho de bits de la ruta digital de datos (según los rangos dinámicos de señal) puede reducir el área, coste y consumo de energía de circuitos y sistemas digitales al mismo tiempo que mejora su rendimiento. Ancho de bit óptimo para una ruta digital de datos es el ancho de bit más pequeño que puede satisfacer la relación de señal a ruido requerida y también evitar el desbordamiento.

En aplicaciones de audio y electrónica, la relación involucrada suele ser lo suficientemente grande como para convertirla en un logaritmo y especificarla en decibelios.

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 puede medir un sensor o un instrumento de metrología. A menudo, este rango dinámico de medición está limitado en un extremo 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 que definen 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 la cantidad de dígitos binarios (bits) utilizados en una representación numérica digital en la que el valor medido está relacionado linealmente con el número digital 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 2¹² = 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, 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, mediciones de interferometría realizadas a diferentes escalas (diferentes longitudes de onda) se pueden combinar para conservar la misma resolución de gama baja mientras se amplía 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. En la grabación moderna, este rango a menudo se limita 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.

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.

Fotografía

Una escena exigente de alto rango dinámico, tomada con la cámara digital Nikon D7000, capaz de 13.9 paradas de rango dinámico por DxOMark. La versión sin editar de la foto digital es a la izquierda, mientras que las sombras han sido empujadas fuertemente en Photoshop para producir la imagen final a la derecha. Cuanto mejor sea el rango dinámico de la cámara, más se puede empujar una 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 puede capturar una cámara digital o película determinada, 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 y ambas son comparables a las capacidades del ojo humano.

Existen técnicas fotográficas que admiten un rango dinámico aún mayor.

• Los filtros de densidad neutra graduada se utilizan para disminuir el rango dinámico de luminancia de escena que se puede capturar en película fotográfica (o en el sensor de imagen de una cámara digital): El filtro se coloca delante de la lente en el momento de la exposición; la mitad superior es oscura y la mitad inferior está clara. El área oscura se coloca sobre la región de alta intensidad de una escena, como el cielo. El resultado es más incluso la exposición en el plano focal, con mayor detalle en las sombras y zonas de poca luz. Aunque esto no aumenta el rango dinámico fijo disponible en la película o sensor, estira el rango dinámico utilizable en la práctica.
• La imagen de alto rango dinamico supera el rango dinámico limitado del sensor combinando selectivamente múltiples exposiciones de la misma escena con el fin de mantener el detalle en áreas claras y oscuras. Tone mapping maps the image differently in shadow and highlights in order to better distribution the lighting range across the image. El mismo enfoque se ha utilizado en la fotografía química para captar un rango dinámico extremadamente amplio: Una película de tres capas con cada capa subyacente a cien (10)⁻²) la sensibilidad del próximo más alto se ha utilizado, por ejemplo, para registrar los ensayos de armas nucleares.

Los formatos de archivo de imagen para consumidores a veces restringen el rango dinámico. La limitación de rango dinámico más severa en fotografía puede no implicar la codificación, sino la reproducción, por ejemplo, en una copia impresa en papel o en 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 (usando diferentes longitudes de exposición). en diferentes áreas al hacer una impresión fotográfica) en el cuarto oscuro químico. El principio también es similar al control de nivel automático 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 máximos que sobrecarguen el equipo de reproducción, o que sean anormalmente o incómodamente altos.

Si el sensor de una cámara no es capaz de registrar el rango dinámico completo de una escena, se pueden usar técnicas de alto rango dinámico (HDR) en el posprocesamiento, que generalmente involucran la combinación de múltiples exposiciones usando software.

Lista externa

• Rango dinámico Audible (prueba online)
• Steven E. Schoenherr (2002). "Dinamic Range". Historia de la tecnología de grabación. Archivado desde el original el 2006-09-05.
• Vaughan Wesson (octubre 2004). "TN200410A - Dynamic Range". Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2004.