Vierkanalige 1080p-Bildschirmaufteilung auf 4K-Ausgabe: Ein Bandkostenbuch
Vier 1080p-Kamerabilder zu einem 4K-Bild zusammenzuführen scheint nur aus “vier Bilder nebeneinander legen” zu bestehen, doch dahinter verbirgt sich ein Bandkostenbuch: Eingangsbandbreite, DDR-Frame-Puffer-Bandbreite, Skalierungs-Engine-Bandbreite und Ausgangsbandbreite — vier Ebenen übereinander. Wer die Rechnung falsch macht, bekommt Ruckler, Bildreißer oder einen DDR-Überlauf. Dieser Artikel rechnet jede Ebene vom Pixeltakt an auf.
1. Eingangsbandbreite: Wie viel Daten liefern vier 1080p60-Kanäle?
Vier 1080p60-Kameras, jeweils in 8-bit RGB:
| Posten | Formel | Ergebnis |
|---|---|---|
| Pixel pro Kanal | 1920 × 1080 | 2.073.600 Pixel/Bild |
| Bildrate | 60 fps | — |
| Datenrate pro Kanal (8-bit RGB) | 1920 × 1080 × 3 × 8 × 60 | ≈ 2,99 Gb/s ≈ 374 MB/s |
| Vierkanalige Gesamteingabe | 2,99 Gb/s × 4 | ≈ 11,96 Gb/s ≈ 1,5 GB/s |
Bei YCbCr 4:2:2 (üblich für Industriekameras), 16 Bit pro Pixel:
1920 × 1080 × 16bit × 60fps ≈ 1,99 Gb/s ≈ 249 MB/s; vier Kanäle ≈ 7,97 Gb/s ≈ 996 MB/s.
Dieser Eingangswert bestimmt, wie viele GTP/GTX-Transceiver und HDMI-Decoder-Chips der FPGA-Empfänger benötigt.
2. DDR-Frame-Puffer: Lesen + Schreiben = doppelte Bandbreite
Vier Videokanäle müssen vor der Zusammenführung in DDR gepuffert werden. Die vier Eingänge sind asynchron und der 4K60-Ausgang läuft auf einer einheitlichen Taktung — DDR übernimmt das clock-domain crossing.
Wie viel DDR die Frame-Puffer belegen
Vier 1080p-Kanäle, doppelt gepuffert (2 Bilder je Kanal gegen Tearing):
| Posten | Berechnung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Einzelbildgröße (1080p60 8-bit RGB) | 1920 × 1080 × 3 Byte | ≈ 6,2 MB |
| Vier Kanäle × Doppelpuffer | 6,2 MB × 4 × 2 | ≈ 49,6 MB |
| 4K-Ausgabe-Frame-Puffer (3840×2160) | 3840 × 2160 × 3 Byte | ≈ 24,9 MB |
| DDR-Gesamtbelegung | — | ≈ 75 MB |
DDR-Bandbreitenbudget: Lesen + Schreiben verdoppelt
Datenfluss: vier Eingänge → DDR-Schreiben (Frames speichern) → Skalierer liest → DDR-Lesen (Frames holen) → zusammenführen → ausgeben.
Pro Sekunde muss DDR verarbeiten:
| Richtung | Daten/Sek. | Erläuterung |
|---|---|---|
| DDR-Schreiben (vier Eingänge) | ≈ 1,5 GB/s | Vier 1080p-Frames schreiben |
| DDR-Lesen (Skalierung) | ≈ 1,5 GB/s | Vier Frames für Skalierung lesen |
| DDR-Schreiben (zusammengeführtes 4K) | ≈ 1,5 GB/s | 4K60-Frame in Ausgangspuffer schreiben |
| DDR-Lesen (4K-Ausgabe) | ≈ 1,5 GB/s | 4K60-Frame für HDMI lesen |
| DDR-Gesamtbandbreite | ≈ 6 GB/s | Lesen+Schreiben kombiniert |
3. Ausgangsbandbreite: Wie groß ist 4K60?
Der zusammengeführte Ausgang ist 3840×2160@60Hz, 8-bit RGB:
| Posten | Formel | Ergebnis |
|---|---|---|
| 4K60-Datenrate | 3840 × 2160 × 3 × 8 × 60 | ≈ 11,94 Gb/s ≈ 1,49 GB/s |
| HDMI-2.0-Bandbreite | — | 18 Gb/s (ausreichend) |
| DP-1.2-Bandbreite | — | ≈ 17,3 Gb/s (gerade so) |
4K60-Ausgang selbst beträgt 12 Gb/s; sowohl HDMI 2.0 als auch DP 1.2 reichen. Beachten Sie: Ausgangstakt und DDR-Lesetakt sind asynchron — ein FIFO ist für das clock-domain crossing nötig.
4. Das gesamte Bandkostenbuch der Kette
| Stufe | Bandbreite | Bauteil |
|---|---|---|
| Vier 1080p-Eingang | ≈ 1,5 GB/s | HDMI-Decoder + FMC/Parallel-IO |
| DDR-Schreiben (Eingangspuffer) | ≈ 1,5 GB/s | DDR-Controller |
| DDR-Lesen (Skalierung) | ≈ 1,5 GB/s | DDR-Controller |
| Skalierungs-Engine | ≈ 1,5 GB/s | DSP / Logik |
| DDR-Schreiben (4K-Puffer) | ≈ 1,5 GB/s | DDR-Controller |
| DDR-Lesen (4K-Ausgabe) | ≈ 1,5 GB/s | DDR-Controller |
| 4K60-HDMI-Ausgang | ≈ 1,5 GB/s | HDMI-2.0-TX |
| DDR-Spitzenbandbreite | ≈ 6 GB/s | — |
Warum DDR der Engpass ist
DDR-Bandbreiten gängiger Duyuan-Boards:
- DUK7410T (4GB DDR3 64-bit 1866Mbps): ≈ 14,9 GB/s — reichlich für 6 GB/s
- DUF7690T (4GB DDR3 64-bit 1866Mbps): ≈ 14,9 GB/s — ebenfalls
- XCKU15P (8GB DDR4 ECC 64-bit 2400Mbps): ≈ 19,2 GB/s — mehr Puffer für Mehrkanal-4K
Vierkanalige 1080p-Zusammenführung auf 4K funktioniert mit DDR3. Für acht 1080p-Kanäle oder zwei 4K-Eingänge ist jedoch DDR4 erforderlich.
5. Welches Board wählen?
DUK7410T (¥9.999) — Einstieg in die Vierkanal-Zusammenführung
FMSH JFM7K410T. Logikressourcen ausreichend, DDR3-Bandbreite von 14,9 GB/s bietet großzügigen Puffer. Mit FMC-HPC-To-Karte für vier HDMI-Eingänge, Onboard-HDMI-Ausgang für 4K-Display. Ideal für kleine 2×2-Videowände und industrielle Überwachung.
DUF7690T (¥24.999) — Mehrkanal-Zusammenführung
FMSH JFM7VX690T. Mehrere Male mehr Logik und DSP, für komplexere Skalierungsfilter und Farbkorrektur. Onboard-QSFP-40G kann den zusammengeführten 4K-Stream per Glasfaser an eine Remote-Anzeige senden. Für Mehrbildschirm-Zusammenführung + Fiber-Backhaul.
XCKU15P (¥15.999) — Hochbandbreiten-4K-Overlay
AMD Kintex UltraScale+ XCKU15P. DDR4-ECC-Bandbreite 19,2 GB/s, paired mit UltraScale+-Transceivern. Für Achtkanal-1080p-Zusammenführung oder dualen 4K-Eingangs-Overlay. Wählen Sie dieses Board bei geplanter Skalierung auf 8 Kanäle oder Multi-4K60-Eingänge.
Vierkanalige Zusammenführung ist nicht schwer — schwer ist es, jeden Kanal richtig zu berechnen. DDR ist der am meisten unterschätzte Engpass in Zusammenführungssystemen: 1,5 GB/s Eingang wirkt klein, doch verdoppelt ergelesen+schreiben 6 GB/s. Rechnen Sie nach, bevor Sie ein Board wählen.
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— Duyuan Engineering Team
