Rango dinámico

El rango dinámico (abreviado DR , DNR , ^{[ 1 ]} o DYR ^{[ 2 ]} ) es la relación entre los valores medibles máximo y mínimo de una magnitud específica. Se utiliza frecuentemente en el contexto de señales , como el sonido y la luz . Se mide como una relación o como un valor logarítmico en base 10 ( decibelios ) o base 2 (duplicaciones, bits o paradas ) de la relación entre los valores máximo y mínimo de la señal. ^{[ 3 ]}

El audio y el vídeo reproducidos electrónicamente suelen procesarse para ajustar el material original, que tiene un amplio rango dinámico, a un rango dinámico de grabación más estrecho, facilitando así su almacenamiento y reproducción. Este proceso se denomina compresión de rango dinámico .

Los sentidos de la vista y el oído humanos poseen un rango dinámico relativamente amplio. Sin embargo, el ser humano no puede realizar estas proezas de percepción en ambos extremos de la escala simultáneamente. El ojo humano tarda en 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, un susurro no se puede oír en un entorno ruidoso.

Un ser humano es capaz de oír (y discernir útilmente) cualquier cosa, desde un murmullo suave 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 aproximadamente de 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 todo a la vez; El músculo tensor del tímpano , el músculo estapedio y las células ciliadas externas actúan como compresores mecánicos del 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 una milmillonésima parte (10⁻⁹ ⁾ de la iluminación que recibirían en un día soleado y brillante; un rango dinámico de 90  dB. El cambio de sensibilidad se logra en parte mediante ajustes del iris y cambios químicos lentos, que requieren cierto 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 a mayo de 2010han 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 ]}

Los ingenieros de audio utilizan el rango dinámico para describir la relación entre la amplitud de la señal sin distorsión más fuerte posible y el nivel de ruido , por ejemplo, de un micrófono o 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 límite superior de un dispositivo es de 5  V (rms) y el nivel de ruido es de 10  μV (rms), entonces el rango dinámico es de 500000:1, o 114  dB:

$${\displaystyle 20\times \log _{10}\left({\frac {\rm {5\,V}}{10\,\mu \mathrm {V} }}\right)=20\times \log _{10}(500000)=20\times 5.7=114\,\mathrm {dB} }$$

En la teoría del audio digital, el rango dinámico está limitado por el error de cuantización . El rango dinámico máximo alcanzable para un sistema de audio digital con cuantización uniforme de Q bits se calcula como la relación entre el RMS de la onda sinusoidal más grande y el ruido RMS es: ^{[ 19 ]}

$${\displaystyle \mathrm {DR_{ADC}} =20\times \log _{10}\left({\frac {2^{Q}}{1}}\right)=\left(6.02\cdot Q\right)\ \mathrm {dB} \,\!}$$

Sin embargo, el rango dinámico útil puede ser mayor, ya que un dispositivo de grabación con tramado adecuado puede grabar señales muy por debajo del nivel de ruido.

El disco compacto de 16 bits tiene un rango dinámico teórico sin tramado 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 tramado con forma de ruido , aprovechando la respuesta de frecuencia del oído humano . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El audio digital con cuantización de 20 bits sin tramado 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 el 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 suelen ser resultado de una etapa de ganancia inadecuada , la técnica de grabación que incluye ruido ambiental y la aplicación intencional de compresión de 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 que produce una mayor distorsión y, si se aumenta aún más, recorte . ^{[ 23 ]} Múltiples procesos de ruido determinan el nivel de ruido de un sistema. El ruido puede provenir del propio ruido del micrófono, el ruido del preamplificador, el ruido del cableado y la interconexión, el ruido del medio, etc.

Los primeros discos fonográficos de 78 rpm tenían un rango dinámico de hasta 40  dB, ^{[ 24 ]} que pronto se redujo a 30  dB e incluso a peor debido al desgaste por la reproducción repetida. Los discos fonográficos de microsurcos de vinilo suelen ofrecer 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 modernos en restauración 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 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 baja y media frecuencia en cinta magnética en 10  dB, y de alta frecuencia en 15  dB, utilizando companding (compresión y expansión) de cuatro bandas de frecuencia. ^{[ 28 ] : 169} El pico de la tecnología profesional de cinta de grabación magnética analógica 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 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 las cintas de casete compacto varía entre 50 y 56  dB, dependiendo de la formulación de la cinta. Las cintas de tipo IV ofrecen el mayor rango dinámico, y sistemas como XDR , dbx y la reducción de ruido Dolby lo incrementan aún más. Las mejoras especializadas en la polarización y el cabezal de grabación desarrolladas por Nakamichi y Tandberg, combinadas con la reducción de ruido Dolby C, dieron como resultado  un rango dinámico de 72 dB para el casete.

Un micrófono dinámico puede soportar una alta intensidad sonora y tener un rango dinámico de hasta 140  dB. Los micrófonos de condensador también son robustos, 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, investigadores de Ampex determinaron que un rango dinámico de 118  dB en una secuencia de audio digital con tramado era necesario para la reproducción subjetiva sin ruido de música 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 de rango dinámico se realicen con una señal de audio presente, la cual 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 soportes en blanco o circuitos de silenciamiento.

El término rango dinámico puede resultar confuso en la producción de audio debido a que tiene dos definiciones contradictorias, 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 Loudness Range, 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:

• Especifica la relación entre el nivel máximo de un parámetro , como potencia , corriente , voltaje ^{[ 43 ]} o frecuencia , y el valor mínimo detectable de dicho parámetro. (Véase Mediciones del sistema de audio ).
• En un sistema de transmisión , la relación entre el nivel de sobrecarga (la potencia máxima de la 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 máximo y mínimo de señal 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, a la vez 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 ]}

En aplicaciones de audio y electrónica, la relación involucrada suele ser lo suficientemente grande como para que se convierta a un logaritmo y se especifique en decibelios . ^{[ 43 ]}

En metrología , como cuando se realiza para apoyar 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 por la saturación de un sensor de señal 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 suele estar limitado por una o más fuentes de ruido aleatorio o incertidumbre en los niveles de señal que pueden describirse como definiendo la sensibilidad del sensor o dispositivo de metrología. Cuando los sensores digitales o los 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 el promedio y otras formas de filtrado, la corrección de las características de los receptores, ^{[ 43 ]} la repetición de mediciones, transformaciones no lineales para evitar la saturación, etc. En formas más avanzadas de metrología, como la holografía digital multilongitud de onda , las mediciones de interferometría realizadas a diferentes escalas (diferentes longitudes de onda) se pueden combinar para mantener 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 suele estar limitado por la compresión del rango dinámico , que permite un mayor volumen, 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 se percibe normalmente en un rango de aproximadamente 40  dB. ^{[ 28 ] : 4}

Una escena que exige un alto rango dinámico, tomada con la cámara digital Nikon D7000 , capaz de 13,9 pasos de rango dinámico según DxOMark . ^{[ 51 ]} La versión sin editar de la foto digital está a la izquierda, mientras que las sombras se han ajustado considerablemente en Photoshop para producir la imagen final a la derecha. Cuanto mejor sea el rango dinámico de la cámara, más se puede ajustar 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 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 permiten un rango dinámico aún mayor.

• Los filtros de densidad neutra graduada se utilizan para disminuir el rango dinámico de la luminancia de la escena que se puede capturar en la 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 inferior es transparente. La zona oscura se sitúa 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 de poca luz. Si bien esto no aumenta el rango dinámico fijo disponible en la película o el sensor, sí amplía el rango dinámico útil en la práctica. ^{[ 55 ]}
• La imagen de alto rango dinámico supera el rango dinámico limitado del sensor mediante la combinación selectiva de múltiples exposiciones de la misma escena para conservar el detalle en las zonas claras y oscuras. El mapeo tonal distribuye la imagen de forma diferente en sombras y luces para optimizar la iluminación. Este mismo enfoque se ha utilizado en la fotografía química para capturar un rango dinámico extremadamente amplio: por ejemplo, se ha empleado una película de tres capas, con cada capa subyacente a una centésima parte (10⁻² ⁾ de la sensibilidad de la siguiente, 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 estar relacionada con la codificación, sino más bien con la reproducción, por ejemplo, en una impresión en papel o en una pantalla de computadora. En ese caso, no solo 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 sobreexposición y subexposición (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 de ganancia o control automático de nivel 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 altos o incómodos.

Si el sensor de una cámara no es capaz de registrar todo el rango dinámico 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.

• Guerra de volumen
• Alto rango dinámico
  • Imágenes de alto rango dinámico
  • Renderizado de alto rango dinámico
  • Vídeo de alto rango dinámico
• Resaltar la altura libre
• Fraccionamiento de rango
• Rango dinámico libre de espurios

• Rango dinámico audible (prueba en línea)
• Steven E. Schoenherr (2002). "Rango dinámico" . Historia de la tecnología de grabación . Archivado del original el 5 de septiembre de 2006.
• Vaughan Wesson (octubre de 2004). "TN200410A - Rango dinámico" . Archivado del original el 21 de diciembre de 2004.