Glide库里,藏了一套你心心念念的GIF压缩工具集

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Glide库里,藏了一套你心心念念的GIF压缩工具集

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android.gif

移动端的图片压缩是一个老生常谈的话题,也曾涌现过不少诸如Luban之类的优秀的图片压缩工具库,但在GIF图像领域的压缩方案却几乎处于一片空白。

许多开发者不知道的是,实际上,已经有一套现成的GIF图像压缩工具集,就内置在你集成的Glide图片加载框架之中。


大家好,我是潜伏于各大群中收集GIF表情包的椎锋陷陈,今天我们要分享的是移动端的GIF图像压缩方案

我们会从GIF图像的基础知识出发,介绍几种常见的GIF图像压缩策略,然后利用Glide框架内部自带的压缩工具集来实现。

过程中如有不合理的地方,欢迎随时"Objection!"。

照例,奉上思维导图一张:

用Glide实现GIF压缩.png

GIF图像基础知识

GIF的全称是Graphics Interchange Format,即图像交换格式,是CompuServe公司为支持彩色图像的下载,于1987年推出的位图图像格式。

GIF采用Lempel-Ziv-Welch(LZW)无损数据压缩技术进行压缩,可以在不降低视觉质量的情况下减少文件大小

LZW.png

凭借其体积小、成像相对清晰的优点,GIF在带宽小、传输慢的互联网初期广受欢迎。发展至今,以其被大多数主流平台所支持的高兼容性,占据了动图格式的大半片江山。

256色

作为一种古老的位图图像格式,GIF的缺点也很明显,比如仅支持8 bit的色深,每个像素最多只能显示2^8=256种颜色

相比之下,因LZW算法专利问题而被设计出来替代GIF的PNG格式,即使是不带透明度的24 bit格式,最多也可显示2^24=1600多万种颜色。

战五渣.gif

256色的限制大大局限了GIF的应用范围,使得GIF只适用于包含少量颜色的图片,比如Logo、卡通人物等,而在色彩丰富甚至带有渐变效果的图片上则表现不佳,常常会使图片伴有明显的噪点失真。

动效

GIF通过将多张图像存储在同一个文件中,并利用人眼视觉残留的特性,控制连续播放的间隔,以实现简单的动画效果,原理上有点类似于小时候玩过的手翻书。

手翻书

同样,因受256色的限制,GIF动图大多只能用于小型的动画和低分辨率的视频

不过即便如此,相比于静态图片,GIF动图显然能传递更多的信息,并使沟通双方的情感交流更加直接、高效,因而得以在社交软件上被广泛使用和传播,近年来流行的表情包文化就是很好的佐证。

调色盘

GIF文件有一个很重要的概念就是调色盘,个人认为调色盘这个名称用得很恰当,可以说高度概括了其特征。

调色盘.png

那什么是调色盘呢?

前面我们讲了,GIF是一种位图图像格式,关于位图的特征,我们在《Bitmap——Android内存刺客》一文中已经有过介绍。简单讲,位图就是由若干个不同颜色的像素进行排列所构成的像素阵列。

位图.png

另外我们知道,GIF动图实际就是连续播放的多张图像,每张图像称为一帧,帧与帧之间的信息差异不大,其中的颜色是被大量重复使用的。

于是我们可以建立这样一张公共的索引表,把每一帧的像素点所用到的颜色提取出来,组成一个调色盘,并为每个颜色值建立索引

这样,在存储真正的像素阵列时,只需要存储每个颜色在调色盘里的对应索引值即可,从而减少存储的信息量

调色盘索引.png

如果把调色盘放在文件头,作为所有帧公用的信息,就是全局调色盘;而如果放在每一帧的帧信息中,就是局部调色盘

GIF允许两种调色盘同时存在,并且局部调色盘的优先级更高,当没有局部调色盘时,就使用公共调色盘渲染。

很明显,颜色越丰富,调色盘也就越大,并最终影响到GIF文件的大小

文件大小

以我们最为熟悉的表情包为例,GIF动图类型的表情包的来源大致可分为手绘卡通图像以及视频片段截取两种。

手绘卡通图像的线条单调,颜色均匀,人物动作简单,因而调色盘大小与图像帧数往往都不大。

手绘卡通图像.gif

而视频片段截取之后转换的GIF,往往保留了原有视频的高帧数,且视频内容本身包含了大量的颜色细节,很容易就占满整个调色盘的大小。

视频片段截取.gif

这也是视频片段截取的GIF文件大小往往比手绘卡通图像的大很多的原因所在。

GIF图像压缩策略

GIF文件过大,对于如何存储和传输都是一个难题,下面就来介绍一下几种常见的GIF图像压缩策略:

缩放

作为一种位图图像格式,GIF文件的大小是跟分辨率呈正相关的,分辨率越高,所包含的像素个数就越多,图像也就越清晰,但相应的文件体积也就越大。

鉴于我们通常是在一个有限的展示区域内显示GIF图像的,因此更合理点的做法应该是先对原始的GIF图像先进行一轮下采样,以提供一个较低分辨率版本的缩略图,减少内存占用,再贴合展示区域的尺寸进行一轮精确的缩放

减色

减色也就是减少调色盘的颜色,同样可以达到压缩的效果。但是GIF本身仅支持的最高256色已经是捉襟见肘了,再进一步减色,可能会使图像质量的损失更加明显。而且这种方式的压缩率也比较低,减去一半颜色也可能只压缩10%左右。

以下是分别将调色盘的颜色减少至64色、16色和2色的效果:

64color.gif

16color.gif

2color.gif

可以看到,随着调色盘颜色的减少,图片逐渐暗淡,颜色过渡也愈加粗糙,到最后甚至只剩下黑白两色。

抽帧

前面讲过,GIF是通过逐帧播放单幅图像以达到连续动画的效果的。而抽帧,顾名思义,就是从这些图像中每间隔一定的帧数抽取出单幅图像,通过降低帧率以达到降低GIF文件整体大小的效果

比如电影的常见帧率为24fps(帧每秒),截取其中的3秒并转换为GIF后,帧率依旧保持在24fps,那么总共要储存72幅图像;如果通过抽帧,将帧率降到12fps,就只要储存36幅图像就可以了。

不过,抽帧会影响到GIF动效的流畅度,因为帧率降低之后,帧与帧之间的延迟时间变长,可能会达不到人眼视觉残留特性的阈值,从而在视觉感受上会有明显的卡顿

重庆森林.gif

透明度存储

开始介绍这种方式之前,我们先来看一张GIF图:

透明度存储示例.gif

根据直觉,我们猜想这张GIF图拆解后的每一帧应该是这样的:

透明度存储示例拆解猜想.png

然而实际上,每一帧是这样的:

透明度存储示例拆解实际情况.png

也就是说,透明度存储这种方式是通过只完整保留GIF的第一帧,排除后续帧没有变化的区域,只存储有变化的像素,而对于没变化的像素只存储一个透明值,从而避免存储重复的信息来达到压缩的效果的,适合GIF图像本身具有较大的静态区域的情况。

今天利用Glide框架内部自带的压缩工具集来实现的,主要是前面的三种压缩策略。

GIF图像压缩工具集

终于讲到正题了,让我们来看Glide框架内部都自带了哪些GIF压缩工具:

  • GifHeader:GIF文件头。包含了GIF动图的帧数与每个独立帧的宽高等基本元数据,用于解码GIF。

  • StandardGifDecoder:GIF解码器。从 GIF 图像源读取帧数据,并将其解码为独立的帧。

  • AnimatedGifEncoder:GIF编码器。编码由一个或多个帧组成的 GIF 文件。

核心的类其实就以上几个。严格来讲,这一套GIF编解码实现类并非完全是Glide的原创,而是改编自其他开发者发布的示例开源代码,只不过为了支持GIF的编解码而内置到Glide库中而已。

GIF图像压缩步骤

接下来,我们就利用这一套压缩工具集来实现GIF压缩。

步骤1:解析GIF文件头,以获取其帧数及每个帧的源宽高

GIF格式的文件头与其他格式的文件头作用一致,都是位于文件开头的一段数据,用于描述文件的一些重要属性,指示打开该文件的程序应该怎样处理这个文件

主要包含:

格式声明

格式声明.png

  • Signature 为文件类型的签名,此处为“GIF”3 个字符;
  • Version 为GIF发布的版本号,可能是“87a”或“89a”。
逻辑屏幕描述块

逻辑屏幕描述块.png

  • 前两字节用以标识GIF图像的视觉宽高,单位是像素。
  • Packet fields里包含的就是全局调色盘的信息了,比如全局调色盘的大小等,这里是简单介绍,就不一一展开了。

解析GIF文件头需要用到GifHeaderParser类,该类负责从表示GIF动图的数据中创建 GifHeaders类。

但实际GifHeaderParser类除了会解析GIF文件头外,还会读取GIF文件内容块,以获取帧数及局部调色盘等关键信息。

示例代码如下:

    // 1.解析GIF文件元数据
    val gifMetadataParser = GIFMetadataParser()
    val gifMetadata = gifMetadataParser.parse(options.source!!)
复制代码
    fun parse(source: Uri): GIFMetadata {
        val file = File(source.path)

        gifData = ByteBufferUtil.fromFile(file)
        gifHeader = parseHeader(gifData)

        val duration = getDuration(gifHeader)

        return GIFMetadata(
            width = gifHeader.width,
            height = gifHeader.height,
            frameCount = gifHeader.numFrames,
            duration = getDuration(gifHeader),
            frameRate = getFrameRate(gifHeader.numFrames, duration),
            gctSize = getGctSize(gifHeader),
            fileSize = file.length()
        )
    }
复制代码
    /**
     * 解析GIF文件头
     */
    private fun parseHeader(data: ByteBuffer): GifHeader {
        return GifHeaderParser().apply { setData(data) }.parseHeader()
    }
复制代码

步骤2:对比源宽高与目标宽高,计算出采样后只比目标宽高稍大些的样本大小

做过Bitmap内存优化工作的同学,看到样本大小(sampleSize)这个字眼是否有眼前一亮的感觉?是的,GIF解码器同样支持以2的次幂的样本大小对原始图像进行下采样,从而返回较小的图像以节省内存。

这一步样本大小的计算主要参考了Glide框架中对于Bitmap部分处理的源码思路,感兴趣的可阅读我之前写的《Glide,你为何如此优秀?》,这里就不重复讲了。

    // 2.解码出完整的图像帧序列,并进行下采样
    val gifDecoder = constructGifDecoder(gifMetadataParser.gifHeader, gifMetadataParser.gifData, gifMetadata)
    val gifFrames = gifDecoder.decode()
复制代码
    /**
     * 构造GIF解码器
     * @param gifHeader GIF头部
     * @param gifData GIF数据
     * @param gifMetadata GIF元数据
     */
    private fun constructGifDecoder(
        gifHeader: GifHeader,
        gifData: ByteBuffer,
        gifMetadata: GIFMetadata
    ): StandardGifDecoder {
        if(context == null) throw IllegalArgumentException("Context can not be null.")
        val sampleSize = calculateSampleSize(
            gifMetadata.width,
            gifMetadata.height,
            options.targetWidth,
            options.targetHeight
        )
        return StandardGifDecoder(GifBitmapProvider(Glide.get(context).bitmapPool)).apply {
            setData(
                gifHeader,
                gifData,
                sampleSize
            )
        }
    }
复制代码
    /**
     * 计算下采样大小
     * @param sourceWidth 源宽度
     * @param sourceHeight 源高度
     * @param targetWidth 目标宽度
     * @param targetHeight 目标高度
     */
    private fun calculateSampleSize(
        sourceWidth: Int,
        sourceHeight: Int,
        targetWidth: Int,
        targetHeight: Int
    ): Int {
        val widthPercentage = targetWidth / sourceWidth.toFloat()
        val heightPercentage = targetHeight / sourceHeight.toFloat()
        val exactScaleFactor = Math.min(widthPercentage, heightPercentage)

        outWidth = round((exactScaleFactor * sourceWidth).toDouble())
        outHeight = round((exactScaleFactor * sourceHeight).toDouble())

        val widthScaleFactor = sourceWidth / outWidth
        val heightScaleFactor = sourceHeight / outHeight

        val scaleFactor = Math.max(widthScaleFactor, heightScaleFactor)

        var powerOfTwoSampleSize = Math.max(1, Integer.highestOneBit(scaleFactor))
        return powerOfTwoSampleSize
    }

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步骤3:顺序解码每一帧,还原为完整的图像帧序列

之所以需要这一步,主要是因为部分GIF图像采用了前面所介绍的透明度存储方式来进行压缩,如果暴力抽帧,也即跳过中间帧直接进行抽帧,则最终会得到这样的图片:

暴力抽帧.gif

可以看到,暴力抽帧后的GIF图会有明显的残留噪点,这是因为后续帧存储的仅仅是与第一帧对比有变化的像素,所以我们要先顺序解码每一帧,借助叠加方式、透明色索引等信息来还原出完整的图像帧

     /**
     * 解码出完整的图像帧序列
     */
    private fun StandardGifDecoder.decode(): List<Bitmap> {
        return (0 until frameCount).mapNotNull {
            advance()
            nextFrame
        }
    }
复制代码

步骤4:根据目标帧率进行抽帧,并重新计算帧间延迟

注意是根据目标帧率,而不是目标帧数。如果只是减少帧数,而帧间延迟保持不变,会造成GIF动效的总时长也相应变短,直观感受上就是动画明显加快了。

根据目标帧率进行抽帧,就是保持GIF动效的总时长不变,只是减少1秒内播放的图像帧数,也即减少帧率,为此需要我们重新计算帧间延迟,对播放速度进行减缓处理

    // 3.根据目标帧率进行抽帧
    val gifFrameSampler = GIFFrameSampler(gifMetadata.frameRate, options.targetFrameRate)
    val sampledGifFrames = gifFrameSampler.sample(gifMetadata.frameCount, gifFrames)
复制代码
class GIFFrameSampler(inputFrameRate: Int, outputFrameRate: Int) {
    
    private val inFrameRateReciprocal = 1.0 / inputFrameRate
    private val outFrameRateReciprocal = 1.0 / outputFrameRate
    private var frameRateReciprocalSum = 0.0
    private var frameCount = 0
    
    fun shouldRenderFrame(): Boolean {
        frameRateReciprocalSum += inFrameRateReciprocal
        return when {
            frameCount++ == 0 -> {
                true
            }
            frameRateReciprocalSum > outFrameRateReciprocal -> {
                frameRateReciprocalSum -= outFrameRateReciprocal
                true
            }
            else -> {
                false
            }
        }
    }

}
复制代码
    /**
     * 根据目标帧率进行抽帧
     * @param frameCount 帧数
     * @param gifFrames 图像帧序列
     */
    private fun GIFFrameSampler.sample(
        frameCount: Int,
        gifFrames: List<Bitmap>
    ): List<Bitmap> {
        return (0 until frameCount).mapNotNull {
            if (shouldRenderFrame()){
                gifFrames[it]
            } else {
                null
            }
        }
    }
复制代码

步骤5:重新编码为GIF文件,并依照配置参数进行精确缩放和减色

了解了GIF动效的原理之后,重新编码的流程就变得很清晰了,无非就是将抽取之后的图像帧序列逐一添加回编码器,以写入必要的文件头数据以及图像的像素数据,并根据目标帧率调整帧与帧之间的延迟时间,就可以重新编码生成新的GIF图像了。

    // 4.将处理后的图像帧序列重新编码
    val gifEncoder = constructGifEncoder()
    gifEncoder.encode(sampledGifFrames)
复制代码
    /**
     * 构造GIF编码器
     */
    private fun constructGifEncoder(): AnimatedGifEncoder{
        return AnimatedGifEncoder().apply {
            // 调整全局调色盘大小
            val palSize = (Math.log(options.targetGctSize.toDouble())/Math.log(2.0)).toInt() - 1
            setPalSize(palSize)
            // 调整分辨率
            setSize(outWidth, outHeight)
            // 调整帧率
            setFrameRate(options.targetFrameRate.toFloat())
        }
    }
复制代码
    /**
     * 将处理后的图像帧序列重新编码
     * @param sampleFrames 抽帧后的图像帧序列
     */
    private fun AnimatedGifEncoder.encode(sampleFrames: List<Bitmap>) {
        // 开始写入
        start(options.sink?.path!!)
        // 逐一添加帧
        sampleFrames.forEach { addFrame(it) }
        // 完成,关闭输出文件
        finish()

        options.listener?.onCompleted()
    }
复制代码

一个Demo

github.com/madchan/Gli…

为了方便演示以上所提及策略的实际压缩效果,我写了一个GIF图像压缩前后对比的Demo,可以通过调整宽高、帧率、色彩三个属性的数值来分别实现缩放、抽帧、减色三种压缩策略:

Demo.png

如果这个Demo对你有帮助,希望不吝点个哈~

好了,以上就是今天要分享的内容。最后提一个问题,除了GIF,你还知道有哪些动图格式呢?欢迎在评论区或后台讨论哈~

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参考

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