Динамический диапазон (сокращенно DR , DNR , [1] или DYR [2] ) — это соотношение между наибольшим и наименьшим значениями, которые может принять определенная величина. Его часто используют в контексте сигналов , таких как звук и свет . Он измеряется либо как отношение, либо как логарифмическое значение по основанию 10 ( децибел ) или 2 (удвоение, биты или стопы ) разницы между наименьшим и наибольшим значениями сигнала. [3]
Воспроизводимые в электронном виде аудио и видео часто обрабатываются, чтобы поместить исходный материал с широким динамическим диапазоном в более узкий записанный динамический диапазон, который легче хранить и воспроизводить; эта обработка называется сжатием динамического диапазона .
Человеческие органы зрения и слуха имеют относительно высокий динамический диапазон. Однако человек не может совершать эти подвиги восприятия на обеих крайностях шкалы одновременно. Человеческому глазу требуется время, чтобы приспособиться к разным уровням освещенности, а его динамический диапазон в данной сцене на самом деле весьма ограничен из-за оптических бликов . Мгновенный динамический диапазон восприятия звука человеком также подвергается маскировке , так что, например, шепот невозможно услышать в громкой обстановке.
Человек способен услышать (и с пользой различить) что угодно: от тихого ропота в звукоизолированной комнате до самого громкого концерта хэви-метала. Такая разница может превышать 100 дБ , что соответствует коэффициенту 100 000 по амплитуде и коэффициенту 10 000 000 000 по мощности. [4] [5] Динамический диапазон человеческого слуха составляет примерно 140 дБ, [6] [7] зависит от частоты, [8] от порога слышимости (около -9 дБ SPL [8] [9] [10] на частоте 3 кГц) до болевого порога (от 120–140 дБ УЗД [11] [12] [13] ). Однако этот широкий динамический диапазон не может быть воспринят сразу; Напряжитель барабанной перепонки , стременная мышца и внешние волосковые клетки действуют как механические компрессоры динамического диапазона , регулируя чувствительность уха к различным уровням окружающей среды. [14]
Человек может видеть объекты при свете звезд [а] или при ярком солнечном свете, даже несмотря на то, что в безлунную ночь объекты получают одну миллиардную долю (10 -9 ) освещенности, как в яркий солнечный день; динамический диапазон 90 дБ. Изменение чувствительности частично достигается за счет регулировки радужной оболочки и медленных химических изменений, которые занимают некоторое время.
На практике людям сложно достичь полного динамического опыта с помощью электронного оборудования. Например, жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей) хорошего качества имеет динамический диапазон, ограниченный примерно 1000:1, [b] и некоторые из новейших CMOS- сенсоров изображения [ когда? ] измерили динамический диапазон около 23 000:1. [15] [c] Коэффициент отражения бумаги может достигать динамического диапазона около 100:1. [16] Профессиональная видеокамера , такая как Sony Digital Betacam, обеспечивает динамический диапазон более 90 дБ при записи звука. [17]
Аудиоинженеры используют динамический диапазон для описания отношения амплитуды максимально громкого неискаженного сигнала к минимальному уровню шума , скажем, микрофона или громкоговорителя . [18] Таким образом, динамический диапазон — это отношение сигнал/шум (SNR) для случая, когда сигнал является максимально громким для системы. Например, если максимальное напряжение устройства составляет 5 В (среднеквадратичное значение), а минимальный уровень шума составляет 10 мкВ (среднеквадратичное значение), то динамический диапазон составит 500 000:1, или 114 дБ:
В теории цифрового звука динамический диапазон ограничен ошибкой квантования . Максимально достижимый динамический диапазон для цифровой аудиосистемы с Q -битным равномерным квантованием рассчитывается как отношение наибольшего среднеквадратичного синусоидального сигнала к среднеквадратичному шуму: [19]
Однако полезный динамический диапазон может быть больше, поскольку записывающее устройство с правильным сглаживанием может записывать сигналы значительно ниже минимального уровня шума.
16-битный компакт-диск имеет теоретический динамический диапазон без искажений около 96 дБ; [20] [d] однако воспринимаемый динамический диапазон 16-битного звука может составлять 120 дБ или более с шумообразным дизерингом , используя преимущества частотной характеристики человеческого уха . [21] [22]
Цифровой звук с 20-битным квантованием без несглаживания теоретически обеспечивает динамический диапазон 120 дБ, тогда как 24-битный цифровой звук обеспечивает динамический диапазон 144 дБ. [6] Большинство рабочих станций цифрового аудио обрабатывают звук с помощью 32-битного представления с плавающей запятой , что обеспечивает еще более широкий динамический диапазон, поэтому потеря динамического диапазона больше не является проблемой с точки зрения цифровой обработки звука . Ограничения динамического диапазона обычно возникают из-за неправильной настройки усиления , техники записи, включая окружающий шум , и преднамеренного применения сжатия динамического диапазона .
Динамический диапазон аналогового звука — это разница между низким уровнем теплового шума в электронных схемах и высоким уровнем насыщения сигнала, что приводит к увеличению искажений и, при более высоком уровне, к клиппированию . [23] Несколько шумовых процессов определяют минимальный уровень шума системы. Шум может быть уловлен из собственного шума микрофона, шума предусилителя, шума проводки и межсоединений, шума среды передачи и т. д.
Ранние фонографические диски со скоростью вращения 78 об/мин имели динамический диапазон до 40 дБ, [24] вскоре он снизился до 30 дБ и еще хуже из-за износа от многократного воспроизведения. Виниловые фонографические пластинки с микроканавками обычно дают 55–65 дБ, хотя при первом воспроизведении внешних колец более высокой точности динамический диапазон может достигать 70 дБ. [25]
Сообщалось, что немецкая магнитная лента в 1941 году имела динамический диапазон 60 дБ, [26] хотя современные специалисты по реставрации таких лент отмечают 45-50 дБ в качестве наблюдаемого динамического диапазона. [27] Магнитофоны Ampex в 1950-х годах при практическом использовании достигли уровня 60 дБ, [26] В 1960-х годах усовершенствования в процессах изготовления ленты привели к увеличению диапазона на 7 дБ, [28] : 158 и Рэй Долби разработали шум Dolby A-Type. система понижения , увеличившая динамический диапазон низких и средних частот на магнитной ленте на 10 дБ, а высоких частот на 15 дБ, за счет компандирования (сжатия и расширения) четырех полос частот. [28] : 169 Пик профессиональной технологии аналоговой магнитной записи достиг динамического диапазона 90 дБ на средних частотах при искажениях 3%, или около 80 дБ в практических широкополосных приложениях. [28] : 158 Система шумоподавления Dolby SR дополнительно увеличила диапазон на 20 дБ, что привело к 110 дБ на средних частотах при искажениях 3%. [28] : 172
Производительность компакт-кассеты варьируется от 50 до 56 дБ в зависимости от состава ленты, при этом ленты типа IV обеспечивают наибольший динамический диапазон, а такие системы, как XDR , dbx и система шумоподавления Dolby, еще больше увеличивают его. Специализированные улучшения смещения и записывающей головки, разработанные Накамичи и Тандбергом, в сочетании с шумоподавлением Dolby C обеспечили динамический диапазон кассеты 72 дБ. [ нужна цитата ]
Динамический микрофон способен выдерживать высокую интенсивность звука и может иметь динамический диапазон до 140 дБ. Конденсаторные микрофоны также прочны, но их динамический диапазон может быть ограничен из-за перегрузки связанных с ними электронных схем. [29] Практические соображения относительно допустимых уровней искажений в микрофонах в сочетании с типичной практикой работы в студии звукозаписи приводят к полезному динамическому диапазону 125 дБ. [28] : 75
В 1981 году исследователи из Ampex определили, что динамический диапазон 118 дБ в цифровом аудиопотоке с сглаживанием необходим для субъективного бесшумного воспроизведения музыки в тихой обстановке. [30]
С начала 1990-х годов несколько авторитетных источников, в том числе Общество аудиоинженеров , рекомендовали проводить измерения динамического диапазона при наличии аудиосигнала, который затем фильтруется при измерении минимального уровня шума, используемом при определении динамического диапазона. [31] Это позволяет избежать сомнительных измерений, связанных с использованием пустого носителя или схем подавления.
Термин «динамический диапазон» может сбивать с толку при производстве звука, поскольку он имеет два противоречивых определения, особенно в понимании феномена войны громкости . [32] [33] Динамический диапазон может относиться к микродинамике, [34] [35] [36] относится к коэффициенту амплитуды , [37] [38] тогда как Европейский вещательный союз в EBU3342 «Диапазон громкости» определяет динамический диапазон как разница между самой тихой и самой громкой громкостью — вопрос макродинамики. [32] [33] [39] [40] [41] [42]
В электронике динамический диапазон используется в следующих контекстах:
В приложениях аудио и электроники используемое соотношение часто достаточно велико, чтобы его можно было преобразовать в логарифм и указать в децибелах . [43]
В метрологии , например, при выполнении научных, инженерных или производственных задач, динамический диапазон относится к диапазону значений, которые могут быть измерены датчиком или метрологическим прибором. Часто этот динамический диапазон измерения ограничен на одном конце диапазона насыщением чувствительного сигнала датчика или физическими ограничениями, которые существуют в отношении движения или другой способности реагирования механического индикатора. Другой конец динамического диапазона измерения часто ограничен одним или несколькими источниками случайного шума или неопределенностью уровней сигнала, которые можно описать как определяющие чувствительность датчика или метрологического устройства. Когда цифровые датчики или преобразователи сигналов датчиков являются компонентом датчика или метрологического устройства, динамический диапазон измерения также будет связан с количеством двоичных цифр (битов), используемых в цифровом числовом представлении, в котором измеренное значение линейно связано с цифровой номер. [43] Например, 12-битный цифровой датчик или преобразователь может обеспечить динамический диапазон, в котором отношение максимального измеренного значения к минимальному измеренному значению составляет до 2 12 = 4096.
Метрологические системы и устройства могут использовать несколько основных методов для увеличения своего основного динамического диапазона. Эти методы включают усреднение и другие формы фильтрации, коррекцию характеристик приемников, [43] повторение измерений, нелинейные преобразования во избежание насыщения и т. д. В более продвинутых формах метрологии, таких как многоволновая цифровая голография , интерферометрические измерения производятся в разных масштабах ( различные длины волн) можно комбинировать, чтобы сохранить одинаковое разрешение на нижнем уровне, одновременно расширяя верхний предел динамического диапазона измерения на порядки.
В музыке динамический диапазон описывает разницу между самой тихой и самой громкой громкостью инструмента , партии или музыкального произведения. [49] В современной записи этот диапазон часто ограничивается за счет сжатия динамического диапазона , что позволяет увеличить громкость, но может сделать звучание записи менее захватывающим или живым. [50]
Динамический диапазон музыки, обычно воспринимаемой в концертном зале, не превышает 80 дБ, а человеческая речь обычно воспринимается в диапазоне около 40 дБ. [28] : 4
Фотографы используют динамический диапазон для описания диапазона яркости фотографируемой сцены или пределов диапазона яркости, который может запечатлеть данная цифровая камера или пленка , [52] или диапазона непрозрачности проявленных пленочных изображений, или диапазона отражения изображений на фотобумаги.
Динамический диапазон цифровой фотографии сравним с возможностями фотопленки [53] , и оба они сопоставимы с возможностями человеческого глаза. [54]
Существуют фотографические методы, которые поддерживают еще более высокий динамический диапазон.
Форматы файлов изображений потребительского уровня иногда ограничивают динамический диапазон. [57] Наиболее серьезное ограничение динамического диапазона в фотографии может включать не кодирование, а скорее воспроизведение, скажем, на бумажном отпечатке или на экране компьютера. В этом случае не только локальная тональная компрессия, но и настройка динамического диапазона могут быть эффективными для выявления деталей в светлых и темных областях: принцип тот же, что и в методах осветления и затемнения (использование разной длины экспозиции в разных областях при создании фотографического изображения). печать) в химической фотолаборатории. Этот принцип также аналогичен регулированию усиления или автоматическому контролю уровня в аудиоработе, который служит для сохранения слышимости сигнала в шумной среде прослушивания и для предотвращения пиковых уровней, которые перегружают воспроизводящее оборудование или которые являются неестественными или некомфортно громкими.
Если датчик камеры не способен записывать весь динамический диапазон сцены, при постобработке можно использовать методы расширенного динамического диапазона (HDR), которые обычно включают объединение нескольких экспозиций с помощью программного обеспечения.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ), «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 22 августа 2016 г. Проверено 11 августа 2016 г.{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ), «Метод сбора данных системы Sussex MK4 EIM» (PDF) . 24 апреля 2014 г. Архивировано (PDF) из оригинала 27 августа 2016 г. Проверено 11 августа 2016 г.Динамический диапазон человеческого слуха составляет [приблизительно] 120 дБ.
Практический динамический диапазон можно назвать от порога слышимости до болевого порога [130 дБ].
общий динамический диапазон человеческого слуха составляет примерно 140 дБ.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )Самый тихий ощутимый звук составляет около -8dbSPL.
С другой стороны, на рисунке 1 вы также можете видеть, что наш слух немного более чувствителен к частотам чуть выше 1 кГц, где пороговые значения могут достигать -9 дБ SPL!
Пиковая чувствительность, показанная на этом рисунке, эквивалентна амплитуде звукового давления в звуковой волне 10 мкПа или около -6 дБ (УЗД).
Обратите внимание, что это для монофонического прослушивания звука, расположенного спереди слушателя.
Для звуков, воспроизводимых со стороны головы, на которой слушают, наблюдается повышение пиковой чувствительности примерно на 6 дБ [-12 дБ УЗД] из-за увеличения давления, вызванного отражением от головы.
Верхний предел допустимой интенсивности звука существенно повышается по мере привыкания. Кроме того, сообщается о различных субъективных эффектах, таких как дискомфорт, щекотка, давление и боль, каждый на несколько разном уровне. По простой инженерной оценке можно сказать, что наивные слушатели достигают предела уровня звукового давления примерно в 125 дБ, а опытные слушатели - от 135 до 140 дБ.
Номинальный показатель болевого порога составляет 130 децибел... В некоторых источниках в качестве болевого порога указывается 120 дБ.
болевой порог составляет от 120 до 140 дБ УЗД.
Цифровой звук с 16-битным разрешением имеет теоретический динамический диапазон 96 дБ, но фактический динамический диапазон обычно ниже из-за накладных расходов фильтров, встроенных в большинство аудиосистем». ... «Аудио компакт-диски достигают около 90 дБ. отношение сигнал шум.
Благодаря использованию фигурного дизеринга, который перемещает энергию шума квантования на частоты, где ее труднее услышать, эффективный динамический диапазон 16-битного звука на практике достигает 120 дБ, что более чем в пятнадцать раз глубже заявленных 96 дБ.
120 дБ больше, чем разница между комаром где-то в той же комнате и отбойным молотком в футе от него… или разница между пустынной «звукоизолированной» комнатой и звуком, достаточно громким, чтобы вызвать повреждение слуха за считанные секунды.
16 бит достаточно, чтобы сохранить все, что мы можем услышать, и этого будет достаточно навсегда.
Одним из величайших открытий в PCM было то, что добавление небольшого случайного шума (который мы называем дизерингом) может исчезнуть эффект усечения.
Еще более важным было осознание того, что нужно добавить
правильный
тип случайного шума и что при использовании правильного дизеринга разрешение цифровой системы становится
бесконечным
.
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )