[ang. Tonal Range]

Szum na zdjęciach spowodowany jest głównie przez pracę przetworników analogowo-cyfrowych (tzw. szum przetwarzania, ang. read-out noise) oraz przez korpuskularną naturę światła, czyli fluktuacje strumienia padających fotonów (tzw. szum śrutowy lub kwantowy, ang. photon shot noise). Oba te czynniki odpowiadają za powstawanie zakłóceń w obrazie odpowiednio w ciemnych i jasnych partiach, choć z reguły bardziej wyczuleni jesteśmy na percepcję kolorowych artefaktów w głębokich cieniach fotografowanych scen.

Matematycznie wartość tak zdefiniowanego szumu możemy opisać następującym równaniem:

gdzie:
N - całkowita wartość szumu,
r - wartość szumu przetwarzania,
g - współczynnik wzmocnienia jednostkowego (szumu śrutowego),
S - wartość z przetwornika analogowo-cyfrowego (wartość sygnału).

Wpływ szumu na obraz to w praktyce niemożność wykorzystania wszystkich bitów zapisanej informacji. Przez to ograniczeniu podlega ilość policzalnych przejść tonalnych. Poniżej przedstawiamy przykład obrazujący ten sam 256-stopniowy gradient w postaci czystej (górna część) oraz z dodanym szumem (dolna część).

W takiej reprezentacji trudno ocenić z ilu odcieni szarości składa się przedstawiony obrazek.

Gdy zredukujemy zapis danych do 4 bitów (16 przejść tonalnych), widzimy, że obecność szumu nadal uniemożliwia oszacowania stopni szarości.

Po usunięciu kolejnego bitu - czyli redukcji zapisu danych do postaci 3-bitowej (do czynienia mamy zatem z 8 przejściami tonalnymi) - szum widoczny jest tylko w okolicach krawędzi, jednocześnie nie powodując zakłóceń w ocenie liczby przejść tonalnych.

Powyższe przykłady obrazują, że 8-bitowy gradient po dodaniu 2-procentowego szumu został efektywnie zredukowany do 3-bitowego zapisu. Szum zatem powoduje, że młodszych 5 bitów jest nieprzydatnych.

Zakresem tonalnym nazywamy zatem wartość będącą liczbą rozróżnialnych poziomów pomiędzy najjaśniejszym a najciemniejszym rejestrowanym odcieniem, którą to możemy przybliżyć, korzystając z następującego wzoru:

gdzie:
TR - zakres tonalny,
r - wartość szumu przetwarzania,
S_max - wartość maksymalnego rejestrowanego sygnału,
g - współczynnik wzmocnienia jednostkowego (szumu śrutowego).

Suma zakresów tonalnych liczonych dla każdego z kolorów podstawowych (czerwony, zielony oraz niebieski) określany jest często jako głębia kolorów (ang. color bit depth).

Jako że wartość zakresu tonalnego jest bezwymiarowa, zwykło się ją przedstawiać w bitach informacji:

W praktyce możemy wzór na zakres tonalny uprościć, zakładając, że czynnik S*g jest dużo większy od szumu przetwarzania - co jest prawdziwe dla bazowego ISO. W takim wypadku nowy wzór będzie miał postać:

Wynik powyższego równania będzie obarczony coraz większym błędem wraz z podnoszeniem wartości czułości, czyli wtedy, gdy g maleje, a r rośnie - a to powoduje, że nasze założenie traci na aktualności.

Gdy podejdziemy do tematu stricte naukowo, wzór na zakres tonalny jest bardziej skomplikowany, gdyż wymaga operacji całkowania po wartości odchylenia standardowego dla całego zakresu pracy przetwornika analogowo-cyfrowego. Odchylenie standardowe możemy traktować jako opis szumu i wyznaczać, biorąc pod uwagę nie tylko czynnik przetwarzania i śrutowy, ale też wpływ nierównomierności wykonania matrycy, jak i zależność szumu od czasu ekspozycji (szum termiczny).