Склейка четырёх каналов 1080p в вывод 4K: учёт полосы пропускания
Склейка четырёх каналов 1080p в один выход 4K — это не просто «четыре картинки рядом», а учёт полосы: входная полоса, полоса кадрового буфера DDR, полоса масштабирования и выходная полоса — четыре слоя друг на друге. Ошиблись в расчёте — получаете подтормаживание, разрыв кадров или перегрузку DDR. В этой статье посчитаем каждый слой, начиная с тактовой частоты пикселей.
1. Входная полоса: сколько данных в четырёх каналах 1080p60
Четыре камеры 1080p60, каждый канал в 8-bit RGB:
| Параметр | Формула | Результат |
|---|---|---|
| Пикселей на канал | 1920 × 1080 | 2 073 600 пикселей/кадр |
| Частота кадров | 60 fps | — |
| Скорость данных на канал (8-bit RGB) | 1920 × 1080 × 3 × 8 × 60 | ≈ 2,99 Gb/s ≈ 374 MB/s |
| Суммарный вход четырёх каналов | 2,99 Gb/s × 4 | ≈ 11,96 Gb/s ≈ 1,5 GB/s |
При YCbCr 4:2:2 (типично для промышленных камер), 16 бит на пиксель:
1920 × 1080 × 16bit × 60fps ≈ 1,99 Gb/s ≈ 249 MB/s; четыре канала ≈ 7,97 Gb/s ≈ 996 MB/s.
Эта входная величина определяет, сколько GTP/GTX-трансиверов и HDMI-декодеров нужно приёмнику FPGA.
2. Кадровый буфер DDR: чтение + запись = удвоенная полоса
Четыре видеопотока должны быть буферизованы в DDR перед склейкой. Входы асинхронны, а выход 4K60 работает на единой тактовой частоте — DDR выполняет кросс-доменный буфер.
Сколько DDR занимают кадровые буферы
Четыре канала 1080p, двойная буферизация (по 2 кадра на канал против разрывов):
| Параметр | Расчёт | Результат |
|---|---|---|
| Размер кадра (1080p60 8-bit RGB) | 1920 × 1080 × 3 байта | ≈ 6,2 MB |
| 4 канала × двойной буфер | 6,2 MB × 4 × 2 | ≈ 49,6 MB |
| Буфер выхода 4K (3840×2160) | 3840 × 2160 × 3 байта | ≈ 24,9 MB |
| Суммарный объём DDR | — | ≈ 75 MB |
Бюджет полосы DDR: чтение + запись удваивает
Поток данных: четыре входа → запись в DDR (сохранение кадров) → масштабирующее устройство читает → чтение из DDR (выборка кадров) → склейка → вывод.
За секунду DDR должна обработать:
| Направление | Данные/сек | Пояснение |
|---|---|---|
| Запись в DDR (4 входа) | ≈ 1,5 GB/s | Запись четырёх кадров 1080p |
| Чтение из DDR (масштабирование) | ≈ 1,5 GB/s | Чтение четырёх кадров для масштабирования |
| Запись в DDR (склеенный 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Запись кадра 4K60 в выходной буфер |
| Чтение из DDR (вывод 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Чтение кадра 4K60 для HDMI |
| Суммарная полоса DDR | ≈ 6 GB/s | Чтение+запись вместе |
3. Выходная полоса: какой объём у 4K60
Склеенный выход 3840×2160@60Hz, 8-bit RGB:
| Параметр | Формула | Результат |
|---|---|---|
| Скорость данных 4K60 | 3840 × 2160 × 3 × 8 × 60 | ≈ 11,94 Gb/s ≈ 1,49 GB/s |
| Полоса HDMI 2.0 | — | 18 Gb/s (достаточно) |
| Полоса DP 1.2 | — | ≈ 17,3 Gb/s (впритык) |
Вывод 4K60 — это 12 Gb/s; и HDMI 2.0, и DP 1.2 справятся. Но обратите внимание: тактовая частота выхода и тактовая частота чтения DDR асинхронны — требуется FIFO для кросс-доменного перехода.
4. Полный учёт полосы по всей цепочке
| Этап | Полоса | Устройство |
|---|---|---|
| Вход четырёх 1080p | ≈ 1,5 GB/s | HDMI-декодер + FMC/параллельный IO |
| Запись в DDR (входной буфер) | ≈ 1,5 GB/s | Контроллер DDR |
| Чтение из DDR (масштабирование) | ≈ 1,5 GB/s | Контроллер DDR |
| Масштабирующее устройство | ≈ 1,5 GB/s | DSP / логика |
| Запись в DDR (буфер 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Контроллер DDR |
| Чтение из DDR (вывод 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Контроллер DDR |
| Выход HDMI 4K60 | ≈ 1,5 GB/s | HDMI 2.0 TX |
| Пиковая полоса DDR | ≈ 6 GB/s | — |
Почему DDR — узкое место
Полоса DDR типовых плат Duyuan:
- DUK7410T (4GB DDR3 64-bit 1866Mbps): ≈ 14,9 GB/s — с запасом на 6 GB/s
- DUF7690T (4GB DDR3 64-bit 1866Mbps): ≈ 14,9 GB/s — аналогично
- XCKU15P (8GB DDR4 ECC 64-bit 2400Mbps): ≈ 19,2 GB/s — больше запаса для многоканального 4K
Четырёхканальная склейка 1080p в 4K работает на DDR3. Но для восьми каналов 1080p или двух входов 4K требуется DDR4.
5. Какую плату выбрать
DUK7410T (¥9 999) — старт четырёхканальной склейки
FMSH JFM7K410T. Логических ресурсов достаточно, полоса DDR3 14,9 GB/s даёт запас. С FMC HPC-платой для четырёх HDMI-входов, встроенным HDMI-выходом для 4K-дисплея. Идеально для небольших видеостен 2×2 и промышленного наблюдения.
DUF7690T (¥24 999) — рабочая лошадка многоканальной склейки
FMSH JFM7VX690T. В несколько раз больше логики и DSP, сложные масштабирующие фильтры и цветокоррекция. Встроенный QSFP 40G может передавать склеенный 4K-поток по оптоволокну на удалённый дисплей. Для многоэкранной склейки + волоконного backhaul.
XCKU15P (¥15 999) — высокополосный 4K-оверлей
AMD Kintex UltraScale+ XCKU15P. Полоса DDR4 ECC 19,2 GB/s, совместно с трансиверами UltraScale+. Для восьмиканальной склейки 1080p или двойного входного оверлея 4K. Выбирайте эту плату, если планируется масштабирование до 8 каналов или мультивходов 4K60.
Склейка четырёх каналов — это не сложно; сложно правильно посчитать полосу каждого канала. DDR — самое недооцениваемое узкое место в системах склейки: 1,5 GB/s входа выглядят небольшими, но удвоенные чтение+запись дают 6 GB/s. Посчитайте до выбора платы.
>
— Инженерная команда Duyuan
