ダイナミックレンジ

ダイナミックレンジ（略称DR、DNR、^[1]またはDYR ^[2]）は、ある量が取り得る最大値と最小値の比率です。音や光などの信号の文脈でよく使用されます。比率として、または最大値と最小値の信号値の比率の10進数（デシベル）または2進数（倍数、ビット、またはストップ）の対数値として測定されます。^[3]

電子的に再生されたオーディオやビデオは、ダイナミック レンジの広い元の素材を、より簡単に保存および再生できる狭い記録ダイナミック レンジに収めるために処理されることが多く、この処理はダイナミック レンジ圧縮と呼ばれます。

人間の視覚と聴覚は、比較的高いダイナミック レンジを持っています。しかし、人間は、スケールの両極端で同時にこれらの知覚を行うことはできません。人間の目は、さまざまな光のレベルに適応するのに時間がかかり、特定のシーンでのダイナミック レンジは、光のグレアにより実際にはかなり制限されています。人間の音声知覚の瞬間的なダイナミック レンジも同様にマスキングの影響を受け、たとえば、騒がしい環境ではささやき声が聞こえません。

人間は、防音室での静かなつぶやきから、最大音量のヘビーメタルコンサートまで、 あらゆる音を聞き分けることができます。その差は100 dBを超えることもあり、振幅では10万倍、パワーでは100億倍に相当します。^{[4] [5]}人間の聴覚のダイナミックレンジはおよそ140 dBで、^{[6] [7]}周波数によって変化し、^[8]聴覚閾値（ 3 kHzで約-9 dB SPL ^{[8] [9] [10]}）から痛みの閾値（120～140 dB SPL ^{[11] [12] [13]}）まで変化します。ただし、この広いダイナミックレンジを一度に知覚することはできません。鼓室張筋、アブミ骨筋、外耳道外耳道細胞はすべて、機械的なダイナミックレンジコンプレッサーとして機能し、さまざまな周囲レベルに対する耳の感度を調整します。^[14]

人間は星明かり^[a]や明るい日光の下でも物体を見ることができますが、月のない夜に物体が受け取る光は、明るい晴れた日の10億分の1（10 ⁻⁹）です。ダイナミックレンジは90 dBです。感度の変化は、虹彩の調整とゆっくりとした化学変化によって部分的に達成されますが、これにはある程度の時間がかかります。

実際には、人間が電子機器を使って完全なダイナミック体験を実現することは困難です。たとえば、高品質の液晶ディスプレイ（LCD）のダイナミックレンジは約1000:1に制限されており、^[b]最新のCMOSイメージセンサーの一部は、現在^{[いつ? ]}約23,000:1のダイナミックレンジを測定しています。^{[15] [c]} 紙の反射率は約100:1のダイナミックレンジを生み出すことができます。^{[16]ソニーデジタルベータカムなどの}プロ用ビデオカメラは、オーディオ録音で90dBを超えるダイナミックレンジを実現します。^[17]

オーディオエンジニアはダイナミックレンジを、マイクやスピーカーなどの歪みのない最大音量の信号の振幅とノイズフロアの比率を表すために使用します。^{[18]ダイナミックレンジは、信号がシステムで最大音量の場合の}信号対雑音比(SNR)です。たとえば、デバイスの天井が 5 V (rms) でノイズフロアが 10 μV (rms) の場合、ダイナミックレンジは 500000:1、つまり 114 dB になります。

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

デジタルオーディオ理論では、ダイナミックレンジは量子化誤差によって制限されます。Qビット均一量子化を備えたデジタルオーディオシステムの最大達成可能ダイナミックレンジは、最大正弦波rmsとrmsノイズの比として計算されます。^[19]

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

ただし、適切にディザリングされた録音デバイスはノイズフロアよりはるかに低い信号を録音できる ため、使用可能なダイナミック レンジはより大きくなる可能性があります。

16ビットコンパクトディスクの理論的なディザリングなしのダイナミックレンジは約96dBである。^{[20] [d]}しかし、 16ビットオーディオの知覚されるダイナミックレンジは、人間の耳の周波数応答を利用したノイズシェーピング ディザリングにより120dB以上になることがある。^{[21] [22]}

ディザリングされていない20ビット量子化によるデジタルオーディオは、理論的には120dBのダイナミックレンジが可能で、24ビットデジタルオーディオは144dBのダイナミックレンジを提供します。^[6]ほとんどのデジタルオーディオワークステーションは、さらに高いダイナミックレンジを提供する32ビット浮動小数点表現でオーディオを処理するため、デジタルオーディオ処理に関してはダイナミックレンジの損失はもはや問題ではありません。ダイナミックレンジの制限は通常、不適切なゲインステージング、周囲のノイズを含む録音テクニック、およびダイナミックレンジ圧縮の意図的な適用によって発生します。

アナログオーディオのダイナミックレンジは、電子回路の低レベルの熱雑音と高レベルの信号飽和との差であり、その結果歪みが増加し、さらに高くなるとクリッピングが発生します。^[23]システムのノイズフロアは、複数のノイズプロセスによって決まります。マイクの自己ノイズ、プリアンプノイズ、配線および相互接続ノイズ、メディアノイズなどからノイズが拾われることがあります。

初期の78回転レコード盤のダイナミックレンジは最大40dBであったが^[24]、繰り返しの再生による摩耗によりすぐに30dB以下に低下した。ビニール製のマイクログルーブレコード盤のダイナミックレンジは通常55～65dBであるが、より忠実度の高い外輪盤の最初の再生では70dBのダイナミックレンジを達成できる。^[25]

1941年のドイツの磁気テープはダイナミックレンジが60dBあったと報告されているが^[26] 、そのようなテープの現代の修復専門家は、観測されたダイナミックレンジは45-50dBであると述べている。^{[27] 1950年代の} Ampexテープレコーダーは、実用的に60dBを達成し、^[26] 1960年代には、テープ製造プロセスの改良によって7dBの広いレンジが得られ、^{[28] : 158}また、レイ・ドルビーは、4つの周波数帯域のコンパンディング（圧縮と伸張）を使用して、磁気テープ上の低域と中域のダイナミックレンジを10dB、高域を15dB増加させるドルビーAタイプノイズ低減システムを開発しました。 ^{[28] : 169}プロ用アナログ磁気録音テープ技術のピーク時には、中域周波数で3%の歪みで90dBのダイナミックレンジに達し、実用的な広帯域アプリケーションでは約80dBに達した。^{[28] : 158}ドルビーSRノイズリダクションシステムでは、さらに20dBのレンジ拡大が実現し、中域周波数では3%の歪みで110dBのレンジを実現しました。^{[28] : 172}

コンパクト カセットテープの性能は、テープの配合に応じて 50 ～ 56 dB の範囲で変化します。タイプ IVテープは最もダイナミック レンジが広く、XDR、dbx、ドルビー ノイズ リダクション システムなどのシステムではさらに広がります。ナカミチとタンバーグによる特殊なバイアスとレコード ヘッドの改良とドルビー C ノイズ リダクションを組み合わせることで、カセットのダイナミック レンジは 72 dB になりました。^{[引用が必要]}

ダイナミックマイクは高音の強度に耐えることができ、最大140dBのダイナミックレンジを持つことができます。コンデンサーマイクも頑丈ですが、関連する電子回路の過負荷によってダイナミックレンジが制限される場合があります。^[29]マイクの許容歪みレベルに関する実用的な考慮とレコーディングスタジオでの一般的な慣行を組み合わせると、125dBの有効なダイナミックレンジが得られます。^{[28] : 75}

1981年、アンペックスの研究者は、静かなリスニング環境で音楽をノイズフリーで再生するには、ディザリングされたデジタルオーディオストリームで118dBのダイナミックレンジが必要であると判断しました。^[30]

1990年代初頭以来、オーディオエンジニアリング協会を含むいくつかの機関は、ダイナミックレンジの測定はオーディオ信号が存在する状態で行い、ダイナミックレンジの決定に使用されるノイズフロア測定ではオーディオ信号をフィルタリングすることを推奨してきました。^[31]これにより、ブランクメディアやミュート回路の使用に基づく疑わしい測定を回避できます。

ダイナミックレンジという用語は、オーディオ制作において、特にラウドネス戦争現象の理解において、2つの相反する定義があるため、混乱を招く可能性があります。 ^{[32] [33]} ダイナミックレンジは、ミクロダイナミクスを指す場合があり、^{[34] [35] [36]}波高率に関連しています。 ^{[37] [38]}一方、欧州放送連合は、EBU3342ラウドネスレンジで、ダイナミックレンジを最も静かな音量と最も大きな音量の差、つまりマクロダイナミクスの問題として定義しています。^{[32] [33] [39] [40] [41] [42]}

電子機器では、ダイナミック レンジは次のコンテキストで使用されます。

• 電力、電流、電圧^[43]、周波数などのパラメータの最大レベルと、そのパラメータの検出可能な最小値の比を指定します。（オーディオシステムの測定を参照してください。）
• 伝送システムにおいて、過負荷レベル（信号が歪むことなくシステムが許容できる最大信号電力）とシステムのノイズ レベルの比。
• デジタルシステムまたはデバイスにおいて、指定されたビット エラー率を維持するために必要な最大信号レベルと最小信号レベルの比率。
• デジタルデータパスのビット幅を（信号のダイナミックレンジに応じて）最適化すると、デジタル回路やシステムの面積、コスト、消費電力を削減しながら、パフォーマンスを向上させることができます。デジタルデータパスの最適なビット幅は、必要な信号対雑音比を満たし、オーバーフローを回避できる最小のビット幅です。^{[44] [45] [46] [47] [48] [検証が必要]}

オーディオやエレクトロニクスの分野では、関係する比率は対数に変換されデシベルで指定されるほど大きいことが多い。^[43]

計測学では、科学、工学、製造の目的を支援するために実行される場合など、ダイナミック レンジは、センサーまたは計測機器によって測定できる値の範囲を指します。多くの場合、このダイナミック レンジの測定は、感知信号センサーの飽和、または機械的インジケータの動きやその他の応答能力に存在する物理的制限によって、範囲の一方の端で制限されます。ダイナミック レンジの測定のもう一方の端は、センサーまたは計測デバイスの感度を定義すると言われる信号レベルのランダムノイズまたは不確実性の 1 つ以上の発生源によって制限されることがよくあります。デジタル センサーまたはセンサー信号コンバータがセンサーまたは計測デバイスのコンポーネントである場合、ダイナミック レンジの測定は、測定値がデジタル数に線形に関連するデジタル数値表現で使用される 2 進数 (ビット) の数にも関連します。^{[43]たとえば、12 ビットのデジタル センサーまたはコンバータは、最大測定値と最小測定値の比が最大 2 12} = 4096になるダイナミック レンジを提供できます。

計測システムや計測機器では、基本的なダイナミックレンジを広げるために、いくつかの基本的な方法を使用する場合があります。これらの方法には、平均化やその他のフィルタリング、受信機特性の補正、^[43]測定の繰り返し、飽和を避けるための非線形変換などがあります。多波長デジタルホログラフィーなどのより高度な計測方法では、異なるスケール（異なる波長）で行われた干渉測定を組み合わせることで、同じ低解像度を維持しながら、測定のダイナミックレンジの上限を桁違いに拡張することができます。

音楽において、ダイナミックレンジとは、楽器、パート、楽曲の最も静かな音量と最も大きな音量の差を表します。 ^[49]現代のレコーディングでは、この範囲はダイナミックレンジ圧縮によって制限されることが多く、これにより音量を上げることができますが、録音の面白みやライブ感が低下する可能性があります。^[50]

コンサートホールで通常知覚される音楽のダイナミックレンジは80dBを超えず、人間の話し声は通常約40dBの範囲で知覚される。^{[28] : 4}

写真家はダイナミックレンジを、撮影するシーンの輝度範囲、または特定のデジタルカメラやフィルムが捉えることができる輝度範囲の限界、^[52] 、または現像されたフィルム画像の不透明度範囲、または印画紙上の画像の反射率範囲を表すために使用します。

デジタル写真のダイナミックレンジは写真フィルムの能力に匹敵し^[53]、両方とも人間の目の能力に匹敵します。^[54]

さらに高いダイナミックレンジをサポートする写真技術もあります。

• 段階的減光フィルターは、写真フィルム（またはデジタルカメラの画像センサー）に捉えられるシーンの輝度のダイナミックレンジを狭めるために使用されます。フィルターは、露出時にレンズの前に配置され、上半分は暗く、下半分は透明になります。暗い部分は、空などのシーンの高輝度領域に配置されます。その結果、焦点面の露出がより均一になり、影や低照度領域のディテールが向上します。これにより、フィルムやセンサーで利用できる固定のダイナミックレンジが広がるわけではありませんが、実際に使用可能なダイナミックレンジが広がります。^[55]
• ハイダイナミックレンジイメージングは​​、同じシーンの複数の露出を選択的に組み合わせて、明るい部分と暗い部分のディテールを保持することで、センサーのダイナミックレンジの限界を克服します。トーンマッピングは、画像全体の照明範囲をより適切に分散させるために、影とハイライトで画像を異なる方法でマッピングします。同じアプローチは、非常に広いダイナミックレンジをキャプチャするために化学写真で使用されています。たとえば、各下層の感度が次の層の100分の1（10 ⁻²）である3層フィルムは、核兵器テストの記録に使用されています。^[56]

消費者向けの画像ファイル形式では、ダイナミックレンジが制限されることがあります。^[57]写真における最も深刻なダイナミックレンジの制限は、エンコードではなく、たとえば紙のプリントやコンピュータ画面への再生に関係している可能性があります。その場合、ローカルトーンマッピングだけでなくダイナミックレンジ調整も、明るい領域と暗い領域全体のディテールを明らかにするのに効果的です。この原理は、化学暗室でのドッジングとバーニング（写真プリントを作成するときに、領域ごとに異なる露出時間を使用する）と同じです。この原理は、オーディオ作業でのゲインライディングや自動レベルコントロールにも似ており、ノイズの多いリスニング環境でも信号を聞き取れる状態に保ち、再生機器に過負荷をかけたり、不自然または不快なほど大きなピークレベルを回避したりするのに役立ちます。

カメラ センサーがシーンのダイナミック レンジ全体を記録できない場合は、後処理でハイ ダイナミック レンジ(HDR) 技術が使用されることがあります。これは通常、ソフトウェアを使用して複数の露出を組み合わせる処理です。

• ラウドネス戦争
• 高ダイナミックレンジ
  • ハイダイナミックレンジイメージング
  • ハイダイナミックレンジレンダリング
  • ハイダイナミックレンジビデオ
• ヘッドルームを強調する
• 範囲分割
• スプリアスフリーダイナミックレンジ

• 可聴ダイナミックレンジ（オンラインテスト）
• Steven E. Schoenherr (2002)。「ダイナミック レンジ」。録音技術の歴史。2006 年 9 月 5 日にオリジナルからアーカイブされました。
• Vaughan Wesson (2004 年 10 月)。「TN200410A - ダイナミック レンジ」。2004 年 12 月 21 日時点のオリジナルよりアーカイブ。