Dato che il cuore della tua domanda è "Espandere il segnale analogico nell'hardware", quello che vuoi veramente è aumentare l'impostazione ISO. A ISO 100, una fotocamera registrerà il segnale dell'immagine utilizzando la portata massima disponibile. In una scena come quella che hai descritto, una che è naturalmente a basso contrasto, se la gamma dinamica totale del sensore è di circa 11 bit di dati, quando la scena contiene solo 4 bit, ti ritroverai con la maggior parte di quelle informazioni raggruppate in una area o l'altra.
Hai effettivamente un problema di gamma dinamica, anche se leggermente diverso da quello riscontrato dalla maggior parte dei fotografi: ne hai troppe. Per ogni arresto di aumento a ISO, la gamma dinamica diminuisce di circa un fattore due. Se stai usando 1/2 della tua gamma dinamica disponibile a ISO 100, aumentando ISO a 200 ridurrebbe la gamma dinamica utile di un fattore due, in linea con ciò di cui hai bisogno. Allo stesso modo, se utilizzi 1/4 della tua gamma dinamica disponibile a ISO 100, aumentando ISO a 400 ridurrebbe la gamma dinamica utile di un fattore quattro, sempre in linea con ciò di cui hai bisogno.
Questo è perché la fotocamera cambia il punto di bianco, o "livello di saturazione", quando cambi ISO. Cambiare ISO non aumenta la sensibilità della fotocamera, è semplicemente un cambio di istruzioni per l'amplificatore analogico. Se il livello massimo di carica per pixel della fotocamera (FWC, piena capacità del pozzetto) è di 60.000 elettroni e una carica "satura" di 60.000 elettroni viene convertita in un'unità digitale di 2 ^ 14 (16.384), aumentare a ISO 200 significa che la l'addebito massimo consentito per pixel è 30.000. Ora una carica "satura" di 30.000 elettroni viene convertita in DU 16.384. Allo stesso modo, aumentare ISO a 400 significa che una carica "satura" di 15.000 elettroni viene convertita in DU 16.384.
Quando aumenti l'ISO, devi regolare l'esposizione per compensare. Dovrai "adattare" l'esposizione alla gamma dinamica disponibile. Aumenta l'ISO abbastanza in alto e i tuoi neri alla fine raggiungeranno il rumore di fondo ei tuoi bianchi inizieranno a ritagliarsi ... hai effettivamente utilizzato l'intera gamma dinamica, tutto nella fotocamera, cambiando nient'altro che l'amplificazione analogica. Va notato che a impostazioni ISO molto alte, di solito sopra ISO 1600 (sebbene le fotocamere Canon più recenti dovrebbero essere buone fino a ISO 6400) aumentando ulteriormente l'ISO si ottiene un mix di amplificatore per pixel, amplificatore a valle e possibilmente anche amplificatore digitale simultaneamente .