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三年前蘋果這個決定，很多人不屑，如今瘋狂打臉

 329525 2020-03-02

前段時間發(fā)布的小米10系列手機采用了一種新的圖片格式：HEIF，能夠在保持畫質(zhì)不變的前提下縮減至少50%的文件體積。

▲圖自：HEIF官網(wǎng)

HEIF格式照片的文件擴展名一般是.HEIC（也有其他的格式）?？吹竭@個格式名，用iPhone的小伙伴一定很熟悉。


沒錯，蘋果在2017年iOS 11系統(tǒng)上就已經(jīng)開始支持這種圖片格式。

據(jù)汐元所知，蘋果應(yīng)該是最早在手機上廣泛應(yīng)用HEIF圖片格式的了，不過當時很多小伙伴對這個圖片格式不太了解，加上當年兼容性不好，給大家導(dǎo)圖片帶來諸多不便，所以，很多小伙伴對蘋果當時的決定表示不屑，甚至不滿。

感受一下當年很多網(wǎng)友的評論：


包括汐元也是，因為做評測經(jīng)常需要把圖片導(dǎo)到自己的Windows電腦上，結(jié)果在電腦上打不開這個格式，還要轉(zhuǎn)格式，任務(wù)著急的時候真心想給蘋果寄刀片。

不過，時間證明，蘋果的決定是對的，我錯了。

后來，Windows 10系統(tǒng)和安卓9系統(tǒng)在2018年也開始支持HEIF圖片格式。同年，三星Note9其實也已經(jīng)支持.HEIC照片。

小米10發(fā)布前，雷軍甚至表示，等HEIF普及后，估計JPEG和GIF就可以淘汰了。


汐元覺得，未來如果HEIF普及了，也許真的可以取代JPEG和GIF。

寫這句話的時候，汐元覺得臉上火辣辣得疼。


說到這里，相信大家都很好奇，HEIF究竟是怎么夠做到保證畫質(zhì)不變而縮小文件體積的？

汐元翻了一下網(wǎng)上的資料，大多沒有明確針對這個問題進行說明。所以這篇文章打算聚焦這個問題來為大家介紹。

為什么HEIF相比JPEG能夠在畫質(zhì)不變的情況下將文件體積大幅縮?。?/span>

我們首先要明白JPEG的圖片格式具體是怎么樣的。

所謂JPEG格式的圖片，其實說的是一種圖像壓縮的技術(shù)標準，使用這種標準壓縮出來的圖片，就叫“JPEG文件”。

JPEG文件后綴名包括JPG、JPEG、JPE、JFIF以及JIF。都是我們熟悉的。

那么JPEG標準是怎么壓縮圖片的呢？

我們知道，一張圖片放大后，就可以看到一個一個的像素點。


每個像素點，都包含了描述這個像素點顏色的一組數(shù)值，這個叫色彩空間，例如我們熟悉的RGB色彩空間，還有CMYK色彩空間等。


一般照片用的是RGB色彩空間，而JPEG標準采用的是一種叫做YCbCr的色彩空間。所以壓縮之前，要先進行色彩空間轉(zhuǎn)換。

▲圖自：wikimedia

YCbCr色彩空間中，Y表示的是亮度，Cb代表藍色的彩度，Cr表示的是紅色的彩度。

換句話說，Y代表亮度，CbCr代表色彩。

轉(zhuǎn)換之后，每個像素背后變成了另一組數(shù)值。

因為人眼對亮度敏感，對色彩不那么敏感，所以實際壓縮的時候，JPEG標準不會對亮度信息做太多改變，主要對色彩信息做壓縮。

壓縮有兩種，一種是有損壓縮，一種是無損壓縮。JPEG在壓縮時，兩種都會用，一般先進行有損壓縮，然后進行無損壓縮。

有損壓縮第一步是對Cb通道和Cr通道的色彩數(shù)據(jù)按照一定的比例進行取樣。這個過程就損失了一部分數(shù)據(jù)。

第二步，就是將一張圖片中的像素分成無數(shù)個8×8像素的方塊，每個方塊里有64個像素，對應(yīng)64組數(shù)據(jù)。


然后，將這64組數(shù)據(jù)進行一種叫離散余弦變換（DCT）的數(shù)學(xué)處理，處理后，這64組數(shù)據(jù)就變成了數(shù)據(jù)更簡潔一些的系數(shù)矩陣。


至于這個離散余弦變換怎么搞，就不用了解了，懂高數(shù)的IT之家小伙伴可以自行去學(xué)習(xí)。

總之，在經(jīng)過DCT變換后，64組像素數(shù)值變成了64個系數(shù)，這個過程又產(chǎn)生了數(shù)據(jù)損失。

接下來，對于這一組8×8的序數(shù)矩陣，還不能直接處理，要繼續(xù)進行一步叫“量化”的處理過程。

量化是怎么進行的大家不用知道，只需要知道，量化的目的是適當減小矩陣內(nèi)各個像素點之間的差別。因為人眼對小范圍內(nèi)差別高的像素區(qū)域辨別能力不高，所以不如削減它們的差異。

經(jīng)過量化處理后，8×8的序數(shù)矩陣變成了一組更加簡潔的數(shù)字矩陣，有大面積的0。


很顯然，這一步，又損失了一部分數(shù)據(jù)。

好，走到這一步，接下來就是無損壓縮了。

首先，我們把上一步量化后的8×8數(shù)字矩陣提取出來。提取的順序是這樣“Z”字型的。


提取出來后，得到64個數(shù)據(jù)。這64個數(shù)據(jù)中，第一個數(shù)字叫DC系數(shù)編碼，后面63個數(shù)字叫AC系數(shù)編碼。


我們要知道，一張圖片里可以包含很多很多個8×8的小方塊，都進行上述處理后，就有很多很多個DC系數(shù)。

我們把這很多很多個DC系數(shù)抽出來，組成一個集體，然后對它們進行差分編碼和哈夫曼編碼。

至于其他的AC系數(shù)，我們對他們進行行程編碼。

這樣，JPEG標準的壓縮步驟基本就走完了。

這些步驟走完后，壓縮成的.JPG文件體積就會比原圖小很多，當然圖片質(zhì)量也會有所損失。


但我們要說的還沒完。

上面三種無損壓縮編碼的操作過程大家不需要知道，但是他們的壓縮思想，大家是有必要知道的。

差分編碼，就是對于一串數(shù)字，除了第一個數(shù)字，其他數(shù)字都表示為它和前一個數(shù)字的差。例如100、101、103、104、107這串數(shù)據(jù)，可以表示為100、1、2、1、3。這就起到了壓縮作用。


哈夫曼編碼，它的大體思想在一串數(shù)據(jù)里，用短字符表示出現(xiàn)頻率多的數(shù)字，用稍長的字符表示出現(xiàn)頻率少的數(shù)字。

假如有下面這句話：“IT之家網(wǎng)友在IT之家討論IT之家小編”，這句話里“IT之家”幾個字反復(fù)出現(xiàn)，那我們就用“1”來表示“IT之家”，然后這句話就成了“1網(wǎng)友在1討論1小編”，這樣是不是就被壓縮了？


注意，上面這個例子并不嚴謹，只是為了方便大家理解哈夫曼編碼的思想，實際操作很復(fù)雜的，要考慮概率、做二叉樹等步驟的。如果有IT之家小伙伴感興趣可自行學(xué)習(xí)。

行程編碼，這就很簡單了，直接用例子說明。假如有一串字符“aaabbbccccdddddd”，它包括3個a，3個b，4個c，6個d，所以就把它編碼為“3a3b4c6d”。


很明顯，要想讓這些無損編碼最大限度發(fā)揮壓縮作用，需要保證數(shù)據(jù)有一定特性，例如大面積相同的字符、有很多出現(xiàn)頻率較高的字符或者有很多相似的字符等。

講到這，相信大家也就理解了為什么前面要大費周章做那么多有損的處理了，一部分原因就是為了得到適合進行無損壓縮的數(shù)據(jù)。

通常情況下，一張圖片里面，其實是有很多相同或相近的像素點的，這意味著它們背后的數(shù)據(jù)有很大可以壓縮的空間。

JPEG目的就是要干這個事兒的，這么說相信大家能理解。

說了那么多JPEG，那HEIF呢？

別急，當我們掌握了JPEG圖像壓縮的方法，對于HEIF是怎樣進一步壓縮圖片體積的，就好理解多了。

其實HEIF做的工作和JPEG差不多，大體路徑是相似的，但在一些一些細節(jié)上有改進。

我們需要先做一個簡單的說明。其實所謂的HEIF，是圖片的封裝格式，它主要采用的是一種叫HEVC的編碼方式。

打個比方，一張圖片的信息，它們其實是經(jīng)過HEVC的編碼方式進行編碼，然后將編碼后的信息用一個盒子（容器）裝起來，這個盒子就叫HEIF。


HEIF是把盒子和編碼方式分開了，而JPEG沒有。

HEIF的這種操作方式和很多視頻格式很像，我們經(jīng)?？吹降腗P4、MKV、AVI等視頻格式，其實都是盒子的名字，盒子里面是編碼的方式，例如MPEG-4、H.264、H.265等。

影音軟件播放視頻文件的時候，都是先把盒子打開，然后再解碼里面的編碼文件。

上面提到的H.265還有一個名字，就叫HEVC，沒錯，也就是HEIF格式主要采用的編碼方式，所以說這個圖片格式其實采用的也是視頻的編碼的方式。
除了HEVC，HEIF格式也可能采用其他的編碼方式，但很少見。它的編碼方式和對應(yīng)的后綴名如下：


我們看到，小米10和iPhone用的都是HEVC的編碼方式，后綴名都是.HEIC。


所以問題就變成了，HEVC的編碼方式是怎么將體積縮小的呢？

其實主要有兩點。

首先，根據(jù)上文的介紹，JPEG是將圖片劃分成很多8×8的像素塊來進行壓縮編碼的。

而在HEVC編碼方式中，這個像素塊的劃分方式更靈活，最大可以允許以64×64來劃分，然后在64×64的像素塊中，可以靈活的劃分子像素塊，可以劃分成32×32、16×16、8×8的子塊，這叫做四叉樹單元劃分。


這么做有什么好處呢？答案就是，在面對一張圖片的時候，如果是信息量比較平緩的區(qū)域，我們可以用比較大的像素塊來劃分，如果是信息量比較密集的區(qū)域，就可以用比較小的像素塊來劃分。


這種根據(jù)實際情況來劃分的編碼單元，可以很大程度提高編碼效率。特別是針對4K等高分辨率、像素量大的照片，優(yōu)勢更明顯。

HEIF照片的文件體積能夠縮小，大部分要歸結(jié)于此。

其次是第二點。前面介紹JPEG時我們講了它使用的幾種無損編碼方式，分別是差分編碼、哈夫曼編碼和行程編碼。

這其中從編碼之后的數(shù)據(jù)量來說，其實最主要的是哈夫曼編碼，它是可以改進的。

在HEIF標準中，這種無損編碼方式主要采用了自適應(yīng)的二進制算術(shù)編碼（下面簡稱“算術(shù)編碼”）。

其實，隨著JPEG跟隨時代的發(fā)展，算術(shù)編碼也被引入到了JPEG的編碼方式中，但是主要還是哈夫曼編碼。

算術(shù)編碼相比哈夫曼編碼，可以進一步提高編碼效率。

其實算術(shù)編碼的思想原理和哈夫曼編碼是差不多的，都是考慮數(shù)據(jù)中不同字符出現(xiàn)的概率，然后給不同字符以不同的編碼。

算術(shù)編碼具體的數(shù)學(xué)化思想很濃，難以三言兩語講清楚，這里也不方便展開說了。總之，算術(shù)編碼最后得到的是一個很簡潔，但是很長的小數(shù)。

正是因為數(shù)學(xué)的思想很深刻，算術(shù)編碼的編碼效率要比哈夫曼編碼更高，最后呈現(xiàn)在大家面前的，就是對于同一張照片可以壓縮成更小的體積。

以上，基本上就是HEIF能夠在保證畫質(zhì)不變的前提下縮小圖片體積的原因了。

最后，關(guān)于HEIF，還有一些比較基礎(chǔ)的知識，大家可以比較輕松地了解到：

HEIF的全名是高效率圖像格式（High Efficiency Image Format），是運動圖像專家組（MPEG）在2013年推出的。它和前面的JPEG不是一個組織。

值得一提的是，HEIF的相關(guān)技術(shù)是諾基亞的技術(shù)人員制定的，在2015年基本定型，現(xiàn)在也是諾基亞在維護。


有意思的是，HEIF的關(guān)鍵編碼技術(shù)HEVC，華為正是主要推動者之一，手握大量專利，還在今年1月加入了HEVC Advance專利池。HEVC Advance專利池中的關(guān)鍵成員還有三星、聯(lián)發(fā)科、皇家飛利浦等等。

當然啦，小米10憑借自身的話題性，對HEIF圖片格式的進一步普及確實也起到了推動作用。

無論如何，汐元還是期待HEIF圖片格式能夠克服困難，盡快普及，畢竟現(xiàn)在智能手機攝像頭像素已經(jīng)能達到億級了，JPG格式下手機的存儲空間確實吃緊。

畢竟，總不能只因為要存照片就非得買更大存儲空間的手機吧。

參考

  • 中國大學(xué)MOOC-長江大學(xué)公開課，2019-08-05，《靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)：JPEG編碼（視頻）》。
  • 中國大學(xué)MOOC-長江大學(xué)公開課，2019-08-05，《靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)：Huffman編碼》。
  • 金山視頻云，2017-11-14，《HEIF格式解析》。
  • CSDN-打怪升級ing，2018-11-29，《H.264和H.265（HEVC）深度解析及對比》。

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