다이내믹 레인지

Dynamic range
다른 용도는 동적 범위(동음이의)를 참조하십시오.

다이내믹 레인지(약어 DR,[1] DNR 또는[2] DYR)는 특정 수량을 상정할 수 있는 최대값과 최소값 사이의 비율입니다.그것은 종종 소리나 빛과 같은 신호의 맥락에서 사용된다.이 값은 가장 작은 신호 값과 가장 큰 신호 [3]값 간의 차이에 대한 비율 또는 Base-10(데시벨) 또는 Base-2(더블링, 비트 또는 정지) 로그 값으로 측정됩니다.

전자적으로 재생된 오디오 및 비디오는 종종 넓은 다이내믹 레인지를 가진 원재료에 보다 쉽게 저장 및 재생될 수 있도록 기록된 다이내믹 레인지에 맞추기 위해 처리됩니다. 이 처리를 다이내믹 레인지 압축이라고 합니다.

인간의 지각

전력비 및 이에 상당하는 데시벨 및 정지(굵은 글씨로 표시된 정수 값)
계수(전력) 데시벨 정지
1 0 0
2 3.01 1
3.16 5 1.66
4 6.02 2
5 6.99 2.32
8 9.03 3
10 10 3.32
16 12.0 4
20 13.0 4.32
31.6 15 4.98
32 15.1 5
50 17.0 5.64
100 20 6.64
1,000 30 9.97
1,024 30.1 10
10,000 40 13.3
100,000 50 16.6
1,000,000 60 19.9
1,048,576 60.2 20
100,000,000 80 26.6
1,073,741,824 90.3 30
10,000,000,000 100 33.2

인간의 시각과 청각은 비교적 높은 동적 범위를 가지고 있다.그러나 인간은 이러한 지각의 위업을 동시에 저울의 양 극단에서 수행할 수 없다.인간의 눈은 다른 광도에 적응하는 데 시간이 걸리고, 주어진 장면에서 그것의 동적 범위는 사실 광학적인 눈부심 때문에 매우 제한적이다.인간 오디오 인식의 순간적인 동적 범위도 마찬가지로 마스킹되기 때문에 예를 들어 시끄러운 주변에서는 속삭임이 들리지 않습니다.

인간은 방음된 방의 조용한 웅얼거림부터 가장 시끄러운 헤비메탈 연주회까지 무엇이든 들을 수 있다(그리고 유용하게 구별할 수 있다.이러한 차이는 진폭의 100,000계수와 [4][5]전력의 1,000,000계수를 나타내는 100dB를 초과할 수 있습니다.인간의 청력의 동적 범위는 약 140dB이며,[6][7][8] 주파수에 따라 변하며, 청각 임계값(3kHz에서 약 -9dB[8][9][10] SPL)에서 통증 임계값(120–140dB SPL[11][12][13])까지 다양하다.그러나 이 넓은 동적 범위를 동시에 인식할 수는 없습니다. 텐서 Tympani, 척추 근육 및 외부 모발 세포는 모두 다른 주변 [14]레벨에 맞게 귀의 민감도를 조정하는 기계적 동적 범위 압축기 역할을 합니다.

달빛이 없는 밤에 밝은 날에 10억분의 1(10)의−9 조도를 받더라도 인간은 별빛이나[a] 밝은 햇빛 속에서 물체를 볼 수 있다. 즉, 90dB의 동적 범위이다.

실제로 인간이 전자 장비를 사용하여 완전한 동적 경험을 달성하기는 어렵다.예를 들어 고품질 액정 디스플레이(LCD)의 동적 범위는 약 1000:[b]1로 제한되어 있으며, 최신 이미지 센서[when?] 중 일부는 현재 약 23,000:[15][c]1의 동적 범위를 측정했습니다.용지 반사율은 약 100:[16]1의 동적 범위를 생성할 수 있습니다.Sony Digital Betacam과 같은 전문 비디오 카메라는 오디오 기록에서 [17]90dB 이상의 다이내믹 레인지를 실현합니다.

오디오

오디오 엔지니어는 마이크로폰이나 [18]확성기 등의 노이즈 플로어에 대한 가장 큰 왜곡 없는 신호의 진폭 비율을 설명하기 위해 다이내믹 레인지를 사용합니다.따라서 다이내믹 레인지란 시스템에서 가능한 한 신호가 가장 큰 경우 Signal-to-Noise Ratio(SNR; 신호 대 잡음비)입니다.예를 들어 디바이스의 천장이 5V(rms)이고 노이즈 플로어가 10µV(rms)인 경우 다이내믹 범위는 500000:1 즉 114dB입니다.

디지털 오디오 이론에서 동적 범위는 양자화 오류로 제한됩니다.Q비트 균일 양자화를 사용하는 디지털 오디오 시스템에서 달성 가능한 최대 동적 범위는 최대 사인파 rms 대 rms 노이즈의 비율로 계산됩니다.[19]

단, 적절히 디더링된 기록장치는 노이즈 플로어보다 훨씬 아래에 신호를 기록할 수 있기 때문에 사용 가능한 다이내믹 레인지를 크게 할 수 있다.

16비트 콤팩트 디스크는 이론적으로 약 96dB의 [20][d]무계층 동적 범위를 가지고 있지만, 16비트 오디오의 인식된 동적 범위는 사람 귀의 [21][22]주파수 응답을 이용하여 노이즈 형태의 디더로 120dB 이상이 될 수 있습니다.

20비트의 양자화를 수반하지 않는 디지털 오디오는 이론적으로 120dB의 다이내믹 레인지, 24비트의 디지털 오디오는 144dB의 다이내믹 [6]레인지입니다.대부분의 디지털 오디오 워크스테이션은 32비트 부동소수점 표현으로 오디오를 처리하므로 다이내믹 레인지의 손실은 디지털 오디오 처리의 관점에서 더 이상 우려되지 않습니다.동적 범위 제한은 일반적으로 부적절한 게인 스테이징, 주변 노이즈 및 동적 범위 압축의 의도적인 적용으로 인해 발생합니다.

아날로그 오디오의 다이내믹 레인지란 전자회로의 저레벨 열노이즈와 고레벨 신호포화도의 차이입니다.그 결과 왜곡이 증가하며, 더 높으면 [23]클리핑이 발생합니다.여러 노이즈 프로세스에 의해 시스템의 노이즈 플로어가 결정됩니다.노이즈는 마이크의 셀프 노이즈, 프리암프 노이즈, 배선 및 상호접속 노이즈, 미디어 노이즈 등에서 검출할 수 있습니다.

초기의 78rpm 축음기 디스크는 최대 40dB의 [24]동적 범위를 가지고 있었는데, 곧 30dB로 감소했고 반복 재생으로 인한 마모로 인해 더 악화되었습니다.비닐 마이크로홈 축음기 레코드는 일반적으로 55~65dB를 산출하지만, 고충실도의 외부 링을 처음 재생하면 70dB의 [25]동적 범위를 달성할 수 있습니다.

1941년 독일 자기 테이프의 동적 범위는 [26]60dB로 보고되었지만, 현대 복원 전문가들은 이러한 테이프의 동적 [27]범위로 45-50dB를 주목하고 있다.1950년대에Ampex 녹음기는 실용적인 usage,[26]에 1960년대에, 테이프 공식화 과정에서 개선 7dB더 큰 range,[28]에:158결과와 레이 돌비, 및 고주파수의 15데시벨만큼 줄이를 사용하는 자기 테이프에 10dB에 의해 저소득 및 중간 주파수 동적 범위 증가한 돌비 A-Type 소음 감소 시스템을 개발하여 60dB를 달성했다. (c압신4개의 주파수 [28]: 169 대역의 압축 및 확장).프로페셔널 아날로그 자기 기록 테이프 테크놀로지의 피크치는 중간 대역 주파수에서 3 %의 왜곡으로 90 dB의 다이내믹 레인지에 도달했습니다.즉, 실제 광대역 애플리케이션에서는 [28]: 158 약 80 dB였습니다.Dolby SR 노이즈 저감 시스템은 20dB의 추가 범위를 제공했고, 그 결과 중간 대역 주파수의 110dB가 3% [28]: 172 왜곡되었습니다.

콤팩트 카세트 테이프의 퍼포먼스는 테이프 구성에 따라 50~56dB까지 다양하며 타입 IV 테이프는 다이내믹 레인지가 가장 크고 XDR, dbx, Dolby 노이즈 저감 시스템 등의 시스템이 이를 더욱 강화합니다.Nakamichi와 Tandberg에 의한 특수 바이어스 및 레코드 헤드 개선과 Dolby C 노이즈 감소는 카세트에 [citation needed]대해 72dB의 동적 범위를 산출했습니다.

다이나믹 마이크는 고음 강도에 견딜 수 있으며 최대 140dB의 다이나믹 레인지를 가질 수 있습니다.콘덴서 마이크는 견고하지만, 관련된 전자 [29]회로의 과부하로 인해 다이내믹 범위가 제한될 수 있습니다.마이크의 허용 가능한 왜곡 수준에 대한 실용적인 고려와 녹음 스튜디오의 일반적인 관행은 125dB의 유용한 [28]: 75 동적 범위를 제공합니다.

1981년 Ampex의 연구진은 조용한 [30]청취 환경에서 주관적인 소음 없이 음악을 재생하려면 디더링된 디지털 오디오 스트림에서 118dB의 동적 범위가 필요하다고 결정했다.

1990년대 초부터 오디오 엔지니어링 협회를 비롯한 여러 기관에서 동적 범위의 측정을 오디오 신호가 존재하는 상태에서 수행하도록 권장하고 있습니다. 그런 다음 동적 [31]범위를 결정하는 데 사용되는 소음 바닥 측정에서 이를 걸러냅니다.이것에 의해, 블랭크 미디어의 사용이나 뮤트 회선의 사용에 근거해, 의심스러운 측정을 피할 수 있습니다.

다이나믹 레인지라는 용어는 특히 라우드니스 전쟁 [32][33]현상에 대한 이해와 관련하여 두 가지 상반되는 정의를 가지고 있기 때문에 오디오 제작에서 혼동될 수 있습니다.다이나믹 [37][38]레인지란 파고율과 관련된 마이크로 다이내믹스를 [34][35][36]가리킬 수 있지만 EBU3342 Loudness Range에서는 다이나믹 레인지를 매크로 다이내믹스의 [32][33][39][40][41][42]문제인 가장 조용한 음량과 가장 큰 음량의 차이로 정의하고 있습니다.

일렉트로닉스

전자제품에서는, 다이나믹 레인지(dynamic range)는 다음의 콘텍스트에서 사용됩니다.

  • 검출 가능한 파라미터의 최소값에 대한 전력, 전류, 전압[43] 또는 주파수와 같은 파라미터의 최대 레벨의 비율을 지정합니다.('오디오 시스템 측정' 참조).
  • 전송 시스템에서 과부하 수준(신호의 왜곡 없이 시스템이 허용할 수 있는 최대 신호 전력)과 시스템의 노이즈 수준의 비율입니다.
  • 디지털 시스템 또는 디바이스에서 지정된 비트 오류율을 유지하기 위해 필요한 최대 및 최소 신호 수준의 비율입니다.
  • 디지털 데이터 패스의 비트폭 최적화(신호의 동적 범위에 따라)는 디지털 회로 및 시스템의 면적, 비용 및 전력 소비를 줄이면서 성능을 향상시킬 수 있습니다.디지털 데이터 패스에 최적인 비트 폭은 필요한 신호 대 잡음비를 충족하고 [44][45][46][47][48][verification needed]오버플로를 회피할 수 있는 최소 비트 폭입니다.

오디오 및 전자 애플리케이션에서는 관련된 비율이 로그로 변환되어 데시벨로 [43]지정될 정도로 큰 경우가 많습니다.

도량형

과학, 엔지니어링 또는 제조 목적을 지원하기 위해 수행되는 경우와 같은 도량형학에서 동적 범위는 센서 또는 도량형 기기로 측정할 수 있는 값의 범위를 말합니다.종종 이러한 동적 측정 범위는 감지 신호 센서의 포화 상태 또는 기계적 표시기의 동작 또는 기타 응답 능력에 존재하는 물리적 한계로 인해 범위의 한쪽 끝에서 제한됩니다.동적 측정 범위의 다른 한쪽 끝은 센서 또는 도량형 장치의 감도를 정의하는 것으로 설명될 수 있는 신호 수준의 불확실성 또는 무작위 노이즈 발생원에 의해 종종 제한됩니다.디지털 센서 또는 센서 신호 변환기가 센서 또는 도량형 장치의 구성 요소인 경우 동적 측정 범위는 측정된 값이 디지털 [43]숫자와 선형적으로 관련된 디지털 숫자 표현에 사용되는 이진수(비트)와도 관련이 있습니다.예를 들어 12비트 디지털 센서 또는 변환기는 최소 측정값에 대한 최대 측정값의 비율이 최대 212 = 4096인 동적 범위를 제공할 수 있습니다.

도량형 시스템과 장치는 기본 동적 범위를 늘리기 위해 몇 가지 기본 방법을 사용할 수 있습니다.이러한 방법에는 평균화 및 기타 형태의 필터링, 수신기 [43]특성 보정, 측정 반복, 포화 방지를 위한 비선형 변환 등이 포함됩니다.다파장 디지털 홀로그래피와 같은 보다 진보된 형태의 도량형에서는 다른 스케일(다른 파장)에서 이루어진 간섭계 측정을 조합하여 동일한 로우엔드 분해능을 유지하면서 동적 측정 범위의 상단을 크기 순서로 확장할 수 있습니다.

음악

음악에서 다이내믹 레인지(dynamic range)는 악기,[49] 부분 또는 음악의 가장 조용한 음량과 가장 큰 음량의 차이를 나타냅니다.현대의 녹음에서는, 이 음역은, 다이나믹 레인지 압축에 의해서 제한되는 경우가 많아, 음량을 크게 할 수 있지만, 녹음 사운드의 흥분을 [50]억제하거나 라이브를 억제할 수 있습니다.

콘서트 홀에서 일반적으로 인식되는 음악의 동적 범위는 80dB를 초과하지 않으며, 사람의 말소리는 일반적으로 약 40dB의 [28]: 4 범위에서 인식된다.

사진

Nikon D7000 디지털 카메라로 촬영한 DxOMark당 [51]13.9 스톱의 다이내믹 레인지를 필요로 하는 장면.편집되지 않은 디지털 사진의 버전은 왼쪽에 있는 반면, 오른쪽의 최종 이미지를 만들기 위해 포토샵에서 그림자가 심하게 밀려났다.카메라의 동적 범위가 좋을수록 노이즈가 크게 증가하지 않고 노출을 더 많이 푸시할 수 있습니다.

사진사는, 촬영되는 씬의 휘도 범위, 또는 특정의 디지털 카메라나 필름이 [52]캡쳐 할 수 있는 휘도 범위의 한계, 현상된 필름 화상의 불투명도 범위, 또는 포토 페이퍼상의 화상의 반사율 범위를 기술하기 위해서 다이나믹 레인지를 사용합니다.

디지털 사진의 동적 범위는 사진[53] 필름의 기능과 비슷하며 두 가지 모두 인간의 [54]눈과 비슷합니다.

더 높은 다이내믹 레인지를 지원하는 사진 기술이 있습니다.

  • 그라데이션 중립 밀도 필터는 사진 필름(또는 디지털 카메라의 이미지 센서)에서 캡처할 수 있는 장면 휘도의 동적 범위를 줄이는 데 사용됩니다.필터는 노출 시 렌즈 앞에 위치합니다. 위쪽 절반은 어둡고 아래쪽 절반은 투명합니다.어두운 영역은 하늘과 같은 장면의 고강도 영역 위에 배치됩니다.그 결과, 초점 평면에서 보다 균일한 노출이 이루어지며, 음영과 저조도 영역의 디테일이 향상됩니다.필름이나 센서에서 사용할 수 있는 고정 다이내믹 레인지를 늘리지 않지만 실제로는 [55]사용 가능한 다이내믹 레인지를 늘립니다.
  • 하이 다이내믹 레인지 이미징은 명암 영역에서의 디테일을 유지하기 위해 동일한 장면의 여러 노출을 선택적으로 결합함으로써 센서의 제한된 다이내믹 레인지를 극복합니다.톤 매핑은 이미지를 다른 음영으로 매핑하고 이미지 전체에 조명 범위를 더 잘 분산시키기 위해 강조 표시합니다.화학 사진 촬영에서도 매우 광범위한 동적 범위를 포착하기 위해 동일한 접근방식이 사용되었습니다.예를 들어 각 기초층이 다음으로 높은 감도의 100분의 1(10)로−2 되어 있는 3층막을 사용하여 핵무기 [56]시험을 기록한다.

사용자용 이미지 파일 형식에 따라 다이내믹 [57]범위가 제한될 수 있습니다.사진의 가장 심각한 동적 범위 제한은 인코딩이 아니라 종이 인쇄물이나 컴퓨터 화면에 대한 복제와 관련이 있을 수 있습니다.이 경우 로컬 톤 매핑뿐만 아니라 동적 범위 조정도 명암 영역 전체에 걸쳐 세부 사항을 드러내는 데 효과적일 수 있습니다.이 원리는 화학 암실에서 피하고 태우는 것과 동일합니다(사진 인화를 할 때 다른 영역에서 다른 길이의 노출을 사용).이 원리는 오디오 작업에서의 게인 라이딩 또는 자동 레벨 제어와 비슷합니다.이것은 노이즈가 많은 리스닝 환경에서 신호를 계속 들을 수 있도록 하고, 재생 기기에 과부하가 걸리거나, 부자연스럽거나 불편할 정도로 시끄러운 피크 레벨을 회피하는 역할을 합니다.

카메라 센서가 씬(scene)의 전체 동적 범위를 기록할 수 없는 경우 일반적으로 소프트웨어를 사용한 다중 노출을 결합하는 후 처리에서 HDR(High-Dynamic-Range) 기술을 사용할 수 있습니다.

공통 디바이스의 동적 범위
장치 정지 콘트라스트비
광택 사진 용지 7 (7–7+2×3) 128:1
LCD 9.5(8~10.8)[citation needed] 700:1 (250:1 – 1750:1)
네거티브 필름(Kodak VISION3) 13개[59] 8000:1
사람의 눈 10~14[54] 1000:1 – 16000:1
하이엔드 DSLR 카메라(Nikon D850) 14.8[60] 28500:1
디지털 시네마 카메라 (레드 웨폰 8k) 16.5 이상[61] 92000:1

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 저조도 레벨에서는 색상의 구별이 감소합니다.
  2. ^ 상업적으로 다이내믹 레인지란 풀온 대 풀오프 휘도비를 의미하는 콘트라스트비라고 불리는 경우가 많습니다.
  3. ^ 바이너리 숫자에 상당하는 14.5 스톱 또는 더블링으로 보고됩니다.
  4. ^ 96dB 수치는 삼각형 또는 사인파에 대한 것입니다.사인파의[19] 경우 동적 범위는 98dB입니다(양자화 노이즈 모델 참조).

레퍼런스

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