Costura de Quatro Canais 1080p para Saída 4K: Um Livro-Caixa de Banda
Costurar quatro feeds de câmera 1080p em uma única saída 4K parece “juntar quatro imagas”, mas por trás existe um livro-caixa de banda: banda de entrada, banda do frame buffer DDR, banda do motor de scaling e banda de saída — quatro camadas empilhadas umas sobre as outras. Errando a conta, você leva stuttering, tearing ou sobrecarga da DDR. Este artigo percorre cada camada do pixel clock para cima.
1. Banda de Entrada: Quanto Dados São Quatro Feeds 1080p60?
Quatro câmeras 1080p60, cada uma em RGB de 8 bits:
| Item | Fórmula | Resultado |
|---|---|---|
| Pixels por canal | 1920 × 1080 | 2.073.600 pixels/frame |
| Frame rate | 60 fps | — |
| Taxa de dados por canal (RGB 8-bit) | 1920 × 1080 × 3 × 8 × 60 | ≈ 2,99 Gb/s ≈ 374 MB/s |
| Entrada total de quatro canais | 2,99 Gb/s × 4 | ≈ 11,96 Gb/s ≈ 1,5 GB/s |
Se usar YCbCr 4:2:2 (comum em câmeras industriais), 16 bits por pixel:
1920 × 1080 × 16bit × 60fps ≈ 1,99 Gb/s ≈ 249 MB/s; quatro canais ≈ 7,97 Gb/s ≈ 996 MB/s.
Este número de entrada define de quantos transceptores GTP/GTX e chips decodificadores HDMI o receptor do FPGA precisa.
2. Frame Buffer DDR: Leitura + Escrita = o Dobro da Banda
Quatro feeds de vídeo precisam ser bufferizados na DDR antes da costura. As quatro entradas são assíncronas, e a saída 4K60 roda em um clock unificado — a DDR é o buffer de cruzamento de domínio de clock.
Quanto de DDR os frame buffers ocupam
Quatro canais 1080p, com buffer duplo (2 frames cada para evitar tearing):
| Item | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| Tamanho de frame único (1080p60 RGB 8-bit) | 1920 × 1080 × 3 bytes | ≈ 6,2 MB |
| Quatro canais × buffer duplo | 6,2 MB × 4 × 2 | ≈ 49,6 MB |
| Frame buffer de saída 4K (3840×2160) | 3840 × 2160 × 3 bytes | ≈ 24,9 MB |
| Pegada total na DDR | — | ≈ 75 MB |
Orçamento de banda DDR: leitura + escrita dobra
O fluxo de dados: quatro entradas → escrita DDR (armazenar frames) → motor de scaling lê → leitura DDR (buscar frames) → costura → saída.
Por segundo, a DDR precisa lidar com:
| Direção | Dados/seg | Observações |
|---|---|---|
| Escrita DDR (quatro entradas) | ≈ 1,5 GB/s | Quatro frames 1080p escritos |
| Leitura DDR (busca do scaling) | ≈ 1,5 GB/s | Quatro frames lidos para scaling |
| Escrita DDR (4K costurado) | ≈ 1,5 GB/s | Frame 4K60 escrito no buffer de saída |
| Leitura DDR (saída 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Frame 4K60 lido para o HDMI |
| Banda DDR total necessária | ≈ 6 GB/s | Leitura+escrita combinadas |
3. Banda de Saída: Quão Grande é o 4K60?
A saída costurada é 3840×2160@60Hz, RGB 8-bit:
| Item | Fórmula | Resultado |
|---|---|---|
| Taxa de dados 4K60 | 3840 × 2160 × 3 × 8 × 60 | ≈ 11,94 Gb/s ≈ 1,49 GB/s |
| Banda HDMI 2.0 | — | 18 Gb/s (suficiente) |
| Banda DP 1.2 | — | ≈ 17,3 Gb/s (quase no limite) |
A saída 4K60 em si tem 12 Gb/s; tanto o HDMI 2.0 quanto o DP 1.2 carregam. Mas observe: o clock de saída e o clock de leitura da DDR são assíncronos — um FIFO é necessário para o cruzamento de domínio de clock.
4. O Livro-Caixa de Banda da Cadeia Completa
| Estágio | Banda | Dispositivo |
|---|---|---|
| Quatro entradas 1080p | ≈ 1,5 GB/s | Decodificador HDMI + IO paralelo/FMC |
| Escrita DDR (buffer de entrada) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Leitura DDR (busca do scaling) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Motor de scaling | ≈ 1,5 GB/s | DSP / lógica |
| Escrita DDR (frame buffer 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Leitura DDR (saída 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Saída HDMI 4K60 | ≈ 1,5 GB/s | HDMI 2.0 TX |
| Pico total DDR | ≈ 6 GB/s | — |
Por que a DDR é o gargalo
Banda DDR das placas comuns da Duyuan:
- DUK7410T (4GB DDR3 64-bit 1866Mbps): ≈ 14,9 GB/s — folga de sobra para 6 GB/s
- DUF7690T (4GB DDR3 64-bit 1866Mbps): ≈ 14,9 GB/s — igual
- XCKU15P (8GB DDR4 ECC 64-bit 2400Mbps): ≈ 19,2 GB/s — mais folga para 4K multicanal
Costura de quatro canais 1080p para 4K funciona em DDR3. Mas para oito canais 1080p ou duas entradas 4K, DDR4 é exigida.
5. Qual Placa Escolher
DUK7410T (¥9,999) — Costura de quatro canais entrada
FMSH JFM7K410T. Os recursos lógicos são suficientes, a banda DDR3 de 14,9 GB/s dá folga ampla para a costura de quatro canais. Combine com uma placa FMC HPC para quatro entradas HDMI, use a saída HDMI on-board para o display 4K. Ideal para video walls 2×2 pequenos e monitoramento industrial.
DUF7690T (¥24,999) — Workhorse de costura multicanal
FMSH JFM7VX690T. Várias vezes mais lógica e DSP, lidando com filtros de scaling mais complexos e correção de cor. O QSFP 40G on-board pode transmitir o stream 4K costurado por fibra para um display remoto. Adequado para costura de múltiplas telas + retorno de fibra.
XCKU15P (¥15,999) — Overlay 4K de banda larga
AMD Kintex UltraScale+ XCKU15P. Banda DDR4 ECC de 19,2 GB/s, acompanhada de transceptores UltraScale+. Adequado para costura de oito canais 1080p ou overlay de entrada 4K dupla. Escolha este se você planeja escalar para 8 canais ou múltiplas entradas 4K60.
Costurar quatro canais não é difícil — o difícil é acertar a banda de cada canal. A DDR é o gargalo mais subestimado em sistemas de costura: 1,5 GB/s de entrada parece pequeno, mas dobrando leitura+escrita vira 6 GB/s. Faça as contas antes de escolher a placa.
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— Equipe de Engenharia Duyuan
