浅谈移动端图片压缩(iOS & Android)

分手后的思念是犯贱 2024-04-17 22:23 135阅读 0赞

在 App 中，如果分享、发布、上传功能涉及到图片，必不可少会对图片进行一定程度的压缩。笔者最近在公司项目中恰好重构了双端（iOS&Android）的图片压缩模块。本文会非常基础的讲解一些图片压缩的方式和思路。

图片格式基础

点阵图&矢量图

  • 点阵图：也叫位图。用像素为单位，像素保存颜色信息，排列像素实现显示。
  • 矢量图：记录元素形状和颜色的算法，显示时展示算法运算的结果。

颜色

表示颜色时，有两种形式，一种为索引色（Index Color），一种为直接色（Direct Color）

  • 索引色：用一个数字索引代表一种颜色，在图像信息中存储数字到颜色的映射关系表（调色盘 Palette）。每个像素保存该像素颜色对应的数字索引。一般调色盘只能存储有限种类的颜色，通常为 256 种。所以每个像素的数字占用 1 字节（8 bit）大小。
  • 直接色：用四个数字来代表一种颜色，数字分别对应颜色中红色，绿色，蓝色，透明度（RGBA）。每个像素保存这四个纬度的信息来代表该像素的颜色。根据色彩深度（每个像素存储颜色信息的 bit 数不同），最多可以支持的颜色种类也不同，常见的有 8 位（R3+G3+B2）、16 位（R5+G6+B5）、24 位（R8+G8+B8）、32 位（A8+R8+G8+B8）。所以每个像素占用 1~4 字节大小。

移动端常用图片格式

图片格式中一般分为静态图和动态图

静态图

  • JPG：是支持 JPEG（ 一种有损压缩方法）标准中最常用的图片格式。采用点阵图。常见的是使用 24 位的颜色深度的直接色（不支持透明）。
  • PNG：是支持无损压缩的图片格式。采用点阵图。PNG 有 5 种颜色选项：索引色、灰度、灰度透明、真彩色（24 位直接色）、真彩色透明（32 位直接色）。
  • WebP：是同时支持有损压缩和无所压缩的的图片格式。采用点阵图。支持 32 位直接色。移动端支持情况如下：























系统 原生 WebView 浏览器
iOS 第三方库支持 不支持 不支持
Android 4.3 后支持完整功能 支持 支持

动态图

  • GIF：是支持无损压缩的图片格式。采用点阵图。使用索引色，并有 1 位透明度通道（透明与否）。
  • APNG：基于 PNG 格式扩展的格式，加入动态图支持。采用点阵图。使用 32 位直接色。但没有被官方 PNG 接纳。移动端支持情况如下：























系统 原生 WebView 浏览器
iOS 支持 支持 支持
Android 第三方库支持 不支持 不支持
  • Animated Webp：Webp 的动图形式，实际上是文件中打包了多个单帧 Webp，在 libwebp 0.4 后开始支持。移动端支持情况如下：























系统 原生 WebView 系统浏览器
iOS 第三方库支持 不支持 不支持
Android 第三方库支持 不支持 不支持

而由于一般项目需要兼容三端（iOS、Android、Web 的关系），最简单就是支持 JPG、PNG、GIF 这三种通用的格式。所以本文暂不讨论其余图片格式的压缩。

移动端系统图片处理架构

根据我的了解，画了一下 iOS&Android 图片处理架构。iOS 这边，也是可以直接调用底层一点的框架的。

format_png

屏幕快照 2019-01-13 下午9.37.00

iOS 的 ImageIO

本文 iOS 端处理图片主要用 ImageIO 框架，使用的原因主要是静态图动态图 API 调用保持一致，且不会因为 UIImage 转换时会丢失一部分数据的信息。

ImageIO 主要提供了图片编解码功能，封装了一套 C 语言接口。在 Swift 中不需要对 C 对象进行内存管理，会比 Objective-C 中使用方便不少，但 api 结果返回都是 Optional（实际上非空），需要用 guard/if，或者 ！进行转换。

解码

  1. 创建 CGImageSource

CGImageSource 相当于 ImageIO 数据来源的抽象类。通用的使用方式 CGImageSourceCreateWithDataProvider: 需要提供一个 DataProvider，可以指定文件、URL、Data 等输入。也有通过传入 CFData 来进行创建的便捷方法 CGImageSourceCreateWithData:。方法的第二个参数 options 传入一个字典进行配置。根据 Apple 在 WWDC 2018 上的 Image and Graphics Best Practices 上的例子，当不需要解码仅需要创建 CGImageSource 的时候，应该将 kCGImageSourceShouldCache 设为 false。

format_png 1

11994763-6f25c32bd4d3b427

  1. 解码得到 CGImage

用 CGImageSourceCreateImageAtIndex: 或者 CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex: 来获取生成的 CGImage，这里参数的 Index 就是第几帧图片，静态图传入 0 即可。

编码

  1. 创建 CGImageDestination

CGImageDestination 相当于 ImageIO 数据输出的抽象类。通用的使用方式 CGImageDestinationCreateWithDataConsumer: 需要提供一个 DataConsumer，可以置顶 URL、Data 等输入。也有通过传入 CFData 来进行创建的便捷方法 CGImageDestinationCreateWithData:，输出会写入到传入的 Data 中。方法还需要提供图片类型，图片帧数。

  1. 添加 CGImage

添加 CGImage 使用 CGImageDestinationAddImage: 方法，动图的话，按顺序多次调用就行了。

而且还有一个特别的 CGImageDestinationAddImageFromSource: 方法，添加的其实是一个 CGImageSource，有什么用呢，通过 options 参数，达到改变图像设置的作用。比如改变 JPG 的压缩参数，用上这个功能后，就不需要转换成更顶层的对象（比如 UIImage），减少了转换时的编解码的损耗，达到性能更优的目的。

  1. 进行编码

调用 CGImageDestinationFinalize: ，表示开始编码，完成后会返回一个 Bool 值，并将数据写入 CGImageDestination 提供的 DataConsumer 中。

压缩思路分析

位图占用的空间大小，其实就是像素数量x单像素占用空间x帧数。所以减小图片空间大小，其实就从这三个方向下手。其中单像素占用空间，在直接色的情况下，主要和色彩深度相关。在实际项目中，改变色彩深度会导致图片颜色和原图没有保持完全一致，笔者并不建议对色彩深度进行更改。而像素数量就是平时非常常用的图片分辨率缩放。除此之外，JPG 格式还有特有的通过指定压缩系数来进行有损压缩。

  • JPG：压缩系数 + 分辨率缩放 + 色彩深度降低
  • PNG： 分辨率缩放 + 降低色彩深度
  • GIF：减少帧数 + 每帧分辨率缩放 + 减小调色盘

判断图片格式

后缀扩展名来判断其实并不保险，真实的判断方式应该是通过文件头里的信息进行判断。
















JPG PNG GIF
开头：FF D8 + 结尾：FF D9 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A 47 49 46 38 39/37 61

简单判断用前三个字节来判断

iOS

  1. extension Data{   
  2.     enum ImageFormat {
  3.         case jpg, png, gif, unknown
  4.     }
  6.     var imageFormat:ImageFormat {
  7.         var headerData = [UInt8](repeating: 0, count: 3)
  8.         self.copyBytes(to: &headerData, from:(0..<3))
  9.         let hexString = headerData.reduce("") { $0 + String(($1&0xFF), radix:16) }.uppercased()
  10.         var imageFormat = ImageFormat.unknown
  11.         switch hexString {
  12.         case "FFD8FF": imageFormat = .jpg
  13.         case "89504E": imageFormat = .png
  14.         case "474946": imageFormat = .gif
  15.         default:break
  16.         }
  17.         return imageFormat
  18.     }
  19. }

iOS 中除了可以用文件头信息以外，还可以将 Data 转成 CGImageSource，然后用 CGImageSourceGetType 这个 API，这样会获取到 ImageIO 框架支持的图片格式的的 UTI 标识的字符串。对应的标识符常量定义在 MobileCoreServices 框架下的 UTCoreTypes 中。






















字符串常量 UTI 格式（字符串原始值）
kUTTypePNG public.png
kUTTypeJPEG public.jpeg
kUTTypeGIF com.compuserve.gif

Andorid

  1. enum class ImageFormat{
  2.     JPG, PNG, GIF, UNKNOWN
  3. }
  5. fun ByteArray.imageFormat(): ImageFormat {
  6.     val headerData = this.slice(0..2)
  7.     val hexString = headerData.fold(StringBuilder("")) { result, byte -> result.append( (byte.toInt() and 0xFF).toString(16) ) }.toString().toUpperCase()
  8.     var imageFormat = ImageFormat.UNKNOWN
  9.     when (hexString) {
  10.         "FFD8FF" -> {
  11.             imageFormat = ImageFormat.JPG
  12.         }
  13.         "89504E" -> {
  14.             imageFormat = ImageFormat.PNG
  15.         }
  16.         "474946" -> {
  17.             imageFormat = ImageFormat.GIF
  18.         }
  19.     }
  20.     return imageFormat
  21. }

色彩深度改变

实际上，减少深度一般也就是从 32 位减少至 16 位，但颜色的改变并一定能让产品、用户、设计接受，所以笔者在压缩过程并没有实际使用改变色彩深度的方法，仅仅研究了做法。

iOS

在 iOS 中，改变色彩深度，原生的 CGImage 库中，没有简单的方法。需要自己设置参数，重新生成 CGImage。

  1. public init?(width: Int, height: Int, bitsPerComponent: Int, bitsPerPixel: Int, bytesPerRow: Int, space: CGColorSpace, bitmapInfo: CGBitmapInfo, provider: CGDataProvider, decode: UnsafePointer<CGFloat>?, shouldInterpolate: Bool, intent: CGColorRenderingIntent)
  • bitsPerComponent 每个通道占用位数
  • bitsPerPixel 每个像素占用位数，相当于所有通道加起来的位数，也就是色彩深度
  • bytesPerRow 传入 0 即可，系统会自动计算
  • space 色彩空间
  • bitmapInfo 这个是一个很重要的东西，其中常用的信息有 CGImageAlphaInfo，代表是否有透明通道，透明通道在前还是后面（ARGB 还是 RGBA），是否有浮点数（floatComponents），CGImageByteOrderInfo，代表字节顺序，采用大端还是小端，以及数据单位宽度，iOS 一般采用 32 位小端模式，一般用 orderDefault 就好。

那么对于常用的色彩深度，就可以用这些参数的组合来完成。同时笔者在查看更底层的 vImage 框架的 vImage_CGImageFormat 结构体时（CGImage 底层也是使用 vImage，具体可查看 Accelerate 框架 vImage 库的 vImage_Utilities 文件），发现了 Apple 的注释，里面也包含了常用的色彩深度用的参数。

format_png 2

屏幕快照 2019-01-15 下午9.16.40

这一块为了和 Android 保持一致，笔者封装了 Android 常用的色彩深度参数对应的枚举值。

  1. public enum ColorConfig{
  2.     case alpha8
  3.     case rgb565
  4.     case argb8888
  5.     case rgbaF16
  6.     case unknown // 其余色彩配置
  7. }

CGBitmapInfo 由于是 Optional Set，可以封装用到的属性的便捷方法。

  1. extension CGBitmapInfo {
  2.     init(_ alphaInfo:CGImageAlphaInfo, _ isFloatComponents:Bool = false) {
  3.         var array = [
  4.             CGBitmapInfo(rawValue: alphaInfo.rawValue),
  5.             CGBitmapInfo(rawValue: CGImageByteOrderInfo.orderDefault.rawValue)
  6.         ]
  8.         if isFloatComponents {
  9.             array.append(.floatComponents)
  10.         }
  12.         self.init(array)
  13.     }
  14. }

那么 ColorConfig 对应的 CGImage 参数也可以对应起来了。

  1. extension ColorConfig{
  2.     struct CGImageConfig{
  3.         let bitsPerComponent:Int
  4.         let bitsPerPixel:Int
  5.         let bitmapInfo: CGBitmapInfo
  6.     }
  8.     var imageConfig:CGImageConfig?{
  9.         switch self {
  10.         case .alpha8:
  11.             return CGImageConfig(bitsPerComponent: 8, bitsPerPixel: 8, bitmapInfo: CGBitmapInfo(.alphaOnly))
  12.         case .rgb565:
  13.             return CGImageConfig(bitsPerComponent: 5, bitsPerPixel: 16, bitmapInfo: CGBitmapInfo(.noneSkipFirst))
  14.         case .argb8888:
  15.             return CGImageConfig(bitsPerComponent: 8, bitsPerPixel: 32, bitmapInfo: CGBitmapInfo(.premultipliedFirst))
  16.         case .rgbaF16:
  17.             return CGImageConfig(bitsPerComponent: 16, bitsPerPixel: 64, bitmapInfo: CGBitmapInfo(.premultipliedLast, true))
  18.         case .unknown:
  19.             return nil
  20.         }
  21.     }
  22. }

反过来，判断 CGImage 的 ColorConfig 的方法。

  1. extension CGImage{
  2.     var colorConfig:ColorConfig{
  3.         if isColorConfig(.alpha8) {
  4.             return .alpha8
  5.         } else if isColorConfig(.rgb565) {
  6.             return .rgb565
  7.         } else if isColorConfig(.argb8888) {
  8.             return .argb8888
  9.         } else if isColorConfig(.rgbaF16) {
  10.             return .rgbaF16
  11.         } else {
  12.             return .unknown
  13.         }
  14.     }
  16.     func isColorConfig(_ colorConfig:ColorConfig) -> Bool{
  17.         guard let imageConfig = colorConfig.imageConfig else {
  18.             return false
  19.         }
  21.         if bitsPerComponent == imageConfig.bitsPerComponent &&
  22.             bitsPerPixel == imageConfig.bitsPerPixel &&
  23.             imageConfig.bitmapInfo.contains(CGBitmapInfo(alphaInfo)) &&
  24.             imageConfig.bitmapInfo.contains(.floatComponents) {
  25.             return true
  26.         } else {
  27.             return false
  28.         }
  29.     }
  30. }

对外封装的 Api，也就是直接介绍的 ImageIO 的使用步骤，只是参数不一样。

  1. /// 改变图片到指定的色彩配置
  2.     ///
  3.     /// - Parameters:
  4.     ///   - rawData: 原始图片数据
  5.     ///   - config: 色彩配置
  6.     /// - Returns: 处理后数据
  7.     public static func changeColorWithImageData(_ rawData:Data, config:ColorConfig) -> Data?{
  8.         guard let imageConfig = config.imageConfig else {
  9.             return rawData
  10.         }
  12.         guard let imageSource = CGImageSourceCreateWithData(rawData as CFData, [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary),
  13.             let writeData = CFDataCreateMutable(nil, 0),
  14.             let imageType = CGImageSourceGetType(imageSource),
  15.             let imageDestination = CGImageDestinationCreateWithData(writeData, imageType, 1, nil),
  16.             let rawDataProvider = CGDataProvider(data: rawData as CFData),
  17.             let imageFrame = CGImage(width: Int(rawData.imageSize.width),
  18.                                      height: Int(rawData.imageSize.height),
  19.                                      bitsPerComponent: imageConfig.bitsPerComponent,
  20.                                      bitsPerPixel: imageConfig.bitsPerPixel,
  21.                                      bytesPerRow: 0,
  22.                                      space: CGColorSpaceCreateDeviceRGB(),
  23.                                      bitmapInfo: imageConfig.bitmapInfo,
  24.                                      provider: rawDataProvider,
  25.                                      decode: nil,
  26.                                      shouldInterpolate: true,
  27.                                      intent: .defaultIntent) else {
  28.                                         return nil
  29.         }
  30.         CGImageDestinationAddImage(imageDestination, imageFrame, nil)
  31.         guard CGImageDestinationFinalize(imageDestination) else {
  32.             return nil
  33.         }
  34.         return writeData as Data
  35.     }
  38.     /// 获取图片的色彩配置
  39.     ///
  40.     /// - Parameter rawData: 原始图片数据
  41.     /// - Returns: 色彩配置
  42.     public static func getColorConfigWithImageData(_ rawData:Data) -> ColorConfig{
  43.         guard let imageSource = CGImageSourceCreateWithData(rawData as CFData, [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary),
  44.             let imageFrame = CGImageSourceCreateImageAtIndex(imageSource, 0, nil) else {
  45.                 return .unknown
  46.         }
  47.         return imageFrame.colorConfig
  48.     }

Android

对于 Android 来说，其原生的 Bitmap 库有相当方便的转换色彩深度的方法，只需要传入 Config 就好。

  1. public Bitmap copy(Config config, boolean isMutable) {
  2.       checkRecycled("Can't copy a recycled bitmap");
  3.       if (config == Config.HARDWARE && isMutable) {
  4.           throw new IllegalArgumentException("Hardware bitmaps are always immutable");
  5.       }
  6.       noteHardwareBitmapSlowCall();
  7.       Bitmap b = nativeCopy(mNativePtr, config.nativeInt, isMutable);
  8.       if (b != null) {
  9.           b.setPremultiplied(mRequestPremultiplied);
  10.           b.mDensity = mDensity;
  11.       }
  12.       return b;
  13. }

iOS 的 CGImage 参数和 Android 的 Bitmap.Config 以及色彩深度对应关系如下表：































色彩深度 iOS Android
8 位灰度（只有透明度） bitsPerComponent: 8 bitsPerPixel: 8 bitmapInfo: CGImageAlphaInfo.alphaOnly Bitmap.Config.ALPHA_8
16 位色（R5+G6+R5） bitsPerComponent: 5 bitsPerPixel: 16 bitmapInfo: CGImageAlphaInfo.noneSkipFirst Bitmap.Config.RGB_565
32 位色（A8+R8+G8+B8） bitsPerComponent: 8 bitsPerPixel: 32 bitmapInfo: CGImageAlphaInfo.premultipliedFirst Bitmap.Config.ARGB_8888
64 位色（R16+G16+B16+A16 但使用半精度减少一半储存空间）用于宽色域或HDR bitsPerComponent: 16 bitsPerPixel: 64 bitmapInfo: CGImageAlphaInfo.premultipliedLast + .floatComponents Bitmap.Config.RGBA_F16

JPG 的压缩系数改变

JPG 的压缩算法相当复杂，以至于主流使用均是用 libjpeg 这个广泛的库进行编解码（在 Android 7.0 上开始使用性能更好的 libjpeg-turbo，iOS 则是用 Apple 自己开发未开源的 AppleJPEG）。而在 iOS 和 Android 上，都有 Api 输入压缩系数，来压缩 JPG。但具体压缩系数如何影响压缩大小，笔者并未深究。这里只能简单给出使用方法。

iOS

iOS 里面压缩系数为 0-1 之间的数值，据说 iOS 相册中采用的压缩系数是 0.9。同时，png 不支持有损压缩，所以 kCGImageDestinationLossyCompressionQuality 这个参数是无效。

  1. static func compressImageData(_ rawData:Data, compression:Double) -> Data?{
  2.         guard let imageSource = CGImageSourceCreateWithData(rawData as CFData, [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary),
  3.             let writeData = CFDataCreateMutable(nil, 0),
  4.             let imageType = CGImageSourceGetType(imageSource),
  5.             let imageDestination = CGImageDestinationCreateWithData(writeData, imageType, 1, nil) else {
  6.                 return nil
  7.         }
  9.         let frameProperties = [kCGImageDestinationLossyCompressionQuality: compression] as CFDictionary
  10.         CGImageDestinationAddImageFromSource(imageDestination, imageSource, 0, frameProperties)
  11.         guard CGImageDestinationFinalize(imageDestination) else {
  12.             return nil
  13.         }
  14.         return writeData as Data
  15.     }

Andoid

Andoird 用 Bitmap 自带的接口，并输出到流中。压缩系数是 0-100 之间的数值。这里的参数虽然可以填 Bitmap.CompressFormat.PNG，但当然也是无效的。

  1. val outputStream = ByteArrayOutputStream()
  2. val image = BitmapFactory.decodeByteArray(rawData,0,rawData.count())
  3. image.compress(Bitmap.CompressFormat.JPEG, compression, outputStream)
  4. resultData = outputStream.toByteArray()

GIF 的压缩

GIF 压缩上有很多种思路。参考开源项目 gifsicle 和 ImageMagick 中的做法，大概有以下几种。

  1. 由于 GIF 支持全局调色盘和局部调色盘，在没有局部调色盘的时候会用放在文件头中的全局调色盘。所以对于颜色变化不大的 GIF，可以将颜色放入全局调色盘中，去除局部调色盘。

  2. 对于颜色较少的 GIF，将调色盘大小减少，比如从 256 种减少到 128 种等。

    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktNmJiYTE4Nzk3YTAzMTUxYS5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8yMDAvZm9ybWF0L3dlYnA

    1490353055438_2367_1490353055781

    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktNzQyZmZjNDFkZjlhNjRlZi5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8yMDAvZm9ybWF0L3dlYnA

    1490353098026_7360_1490353098210

  3. 对于背景一致，画面中有一部分元素在变化的 GIF，可以将多个元素和背景分开存储，然后加上如何还原的信息

    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktMmZjYmFiYjVmZDFkMTZhOC5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8xMDAvZm9ybWF0L3dlYnA

    b522ac7896b320b4a9ee1eed1034e4fe_articlex

    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktZTdiMDBjMzllNTkwY2ZjOC5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NjAvZm9ybWF0L3dlYnA

    9e9fe93459fe7117909eb27771bdc182_articlex

    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktZGM4OTliMjk3YzE4ZDAyMi5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NjAvZm9ybWF0L3dlYnA

    433b41c29c6a70e64631a3d4c363e468_articlex

  4. 对于背景一致，画面中有一部分元素在动的 GIF，可以和前面一帧比较，将不动的部分透明化

    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktOTdhM2VmOTZkNGUyMmUxMC5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8xMjAvZm9ybWF0L3dlYnA

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    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktYjUwMGJjYzFhMzk5N2MwMy5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81MjgvZm9ybWF0L3dlYnA

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    aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy85Njc4NjktYzcyOTAyYWQ0ODU2MTY2ZS5naWY_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81MjgvZm9ybWF0L3dlYnA

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  5. 对于帧数很多的 GIF，可以抽取中间部分的帧，减少帧数
  6. 对于每帧分辨率很高的 GIF，将每帧的分辨率减小

对于动画的 GIF，3、4 是很实用的，因为背景一般是不变的，但对于拍摄的视频转成的 GIF，就没那么实用了，因为存在轻微抖动，很难做到背景不变。但在移动端，除非将 ImageMagick 或者 gifsicle 移植到 iOS&Android 上，要实现前面 4 个方法是比较困难的。笔者这里只实现了抽帧，和每帧分辨率压缩。

至于抽帧的间隔，参考了文章中的数值。






























帧数 每 x 帧使用 1 帧
<9 x = 2
9 - 20 x = 3
21 - 30 x = 4
31 - 40 x = 5
>40 x = 6

这里还有一个问题，抽帧的时候，原来的帧可能使用了 3、4 的方法进行压缩过，但还原的时候需要还原成完整的图像帧，再重新编码时，就没有办法再用 3、4 进行优化了。虽然帧减少了，但实际上会将帧还原成未做 3、4 优化的状态，一增一减，压缩的效果就没那么好了（所以这种压缩还是尽量在服务器做）。抽帧后记得将中间被抽取的帧的时间累加在剩下的帧的时间上，不然帧速度就变快了，而且不要用抽取数x帧时间偷懒来计算，因为不一定所有帧的时间是一样的。

iOS

iOS 上的实现比较简单，用 ImageIO 的函数即可实现，性能也比较好。

先定义从 ImageSource 获取每帧的时间的便捷扩展方法，帧时长会存在 kCGImagePropertyGIFUnclampedDelayTime 或者 kCGImagePropertyGIFDelayTime 中，两个 key 不同之处在于后者有最小值的限制，正确的获取方法参考苹果在 WebKit 中的使用方法。

  1. extension CGImageSource {
  2.     func frameDurationAtIndex(_ index: Int) -> Double{
  3.         var frameDuration = Double(0.1)
  4.         guard let frameProperties = CGImageSourceCopyPropertiesAtIndex(self, index, nil) as? [AnyHashable:Any], let gifProperties = frameProperties[kCGImagePropertyGIFDictionary] as? [AnyHashable:Any] else {
  5.             return frameDuration
  6.         }
  8.         if let unclampedDuration = gifProperties[kCGImagePropertyGIFUnclampedDelayTime] as? NSNumber {
  9.             frameDuration = unclampedDuration.doubleValue
  10.         } else {
  11.             if let clampedDuration = gifProperties[kCGImagePropertyGIFDelayTime] as? NSNumber {
  12.                 frameDuration = clampedDuration.doubleValue
  13.             }
  14.         }
  16.         if frameDuration < 0.011 {
  17.             frameDuration = 0.1
  18.         }
  20.         return frameDuration
  21.     }
  23.     var frameDurations:[Double]{
  24.         let frameCount = CGImageSourceGetCount(self)
  25.         return (0..<frameCount).map{ self.frameDurationAtIndex($0) }
  26.     }
  27. }

先去掉不要的帧，合并帧的时间，再重新生成帧就完成了。注意帧不要被拖得太长，不然体验不好，我这里给的最大值是 200ms。

  1. /// 同步压缩图片抽取帧数，仅支持 GIF
  2.     ///
  3.     /// - Parameters:
  4.     ///   - rawData: 原始图片数据
  5.     ///   - sampleCount: 采样频率，比如 3 则每三张用第一张，然后延长时间
  6.     /// - Returns: 处理后数据
  7.     static func compressImageData(_ rawData:Data, sampleCount:Int) -> Data?{
  8.         guard let imageSource = CGImageSourceCreateWithData(rawData as CFData, [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary),
  9.             let writeData = CFDataCreateMutable(nil, 0),
  10.             let imageType = CGImageSourceGetType(imageSource) else {
  11.                 return nil
  12.         }
  14.         // 计算帧的间隔
  15.         let frameDurations = imageSource.frameDurations
  17.         // 合并帧的时间,最长不可高于 200ms
  18.         let mergeFrameDurations = (0..<frameDurations.count).filter{ $0 % sampleCount == 0 }.map{ min(frameDurations[$0..<min($0 + sampleCount, frameDurations.count)].reduce(0.0) { $0 + $1 }, 0.2) }
  20.         // 抽取帧 每 n 帧使用 1 帧
  21.         let sampleImageFrames = (0..<frameDurations.count).filter{ $0 % sampleCount == 0 }.compactMap{ CGImageSourceCreateImageAtIndex(imageSource, $0, nil) }
  23.         guard let imageDestination = CGImageDestinationCreateWithData(writeData, imageType, sampleImageFrames.count, nil) else{
  24.             return nil
  25.         }
  27.         // 每一帧图片都进行重新编码
  28.         zip(sampleImageFrames, mergeFrameDurations).forEach{
  29.             // 设置帧间隔
  30.             let frameProperties = [kCGImagePropertyGIFDictionary : [kCGImagePropertyGIFDelayTime: $1, kCGImagePropertyGIFUnclampedDelayTime: $1]]
  31.             CGImageDestinationAddImage(imageDestination, $0, frameProperties as CFDictionary)
  32.         }
  34.         guard CGImageDestinationFinalize(imageDestination) else {
  35.             return nil
  36.         }
  38.         return writeData as Data
  39.     }

压缩分辨率也是类似的，每帧按分辨率压缩再重新编码就好。

Android

Android 原生对于 GIF 的支持就不怎么友好了，由于笔者 Android 研究不深，暂时先用 Glide 中的 GIF 编解码组件来完成。编码的性能比较一般，比不上 iOS，但除非换用更底层 C++ 库实现的编码库，Java 写的性能都很普通。先用 Gradle 导入 Glide，注意解码器是默认的，但编码器需要另外导入。

  1. api 'com.github.bumptech.glide:glide:4.8.0'
  2. api 'com.github.bumptech.glide:gifencoder-integration:4.8.0'

抽帧思路和 iOS 一样，只是 Glide 的这个 GIF 解码器没办法按指定的 index 取读取某一帧，只能一帧帧读取，调用 advance 方法往后读取。先从 GIF 读出头部信息，然后在读真正的帧信息。

  1. /**
  2.      * 返回同步压缩 gif 图片 Byte 数据 [rawData] 的按 [sampleCount] 采样后的 Byte 数据
  3.      */
  4.     private fun compressGifDataWithSampleCount(context: Context, rawData: ByteArray, sampleCount: Int): ByteArray? {
  5.         if (sampleCount <= 1) {
  6.             return rawData
  7.         }
  8.         val gifDecoder = StandardGifDecoder(GifBitmapProvider(Glide.get(context).bitmapPool))
  9.         val headerParser = GifHeaderParser()
  10.         headerParser.setData(rawData)
  11.         val header = headerParser.parseHeader()
  12.         gifDecoder.setData(header, rawData)
  14.         val frameCount = gifDecoder.frameCount
  16.         // 计算帧的间隔
  17.         val frameDurations = (0 until frameCount).map { gifDecoder.getDelay(it) }
  19.         // 合并帧的时间,最长不可高于 200ms
  20.         val mergeFrameDurations = (0 until frameCount).filter { it % sampleCount == 0 }.map {
  21.             min(
  22.                 frameDurations.subList(
  23.                     it,
  24.                     min(it + sampleCount, frameCount)
  25.                 ).fold(0) { acc, duration -> acc + duration }, 200
  26.             )
  27.         }
  29.         // 抽取帧
  30.         val sampleImageFrames = (0 until frameCount).mapNotNull {
  31.             gifDecoder.advance()
  32.             var imageFrame: Bitmap? = null
  33.             if (it % sampleCount == 0) {
  34.                 imageFrame = gifDecoder.nextFrame
  35.             }
  36.             imageFrame
  37.         }
  39.         val gifEncoder = AnimatedGifEncoder()
  41.         var resultData: ByteArray? = null
  43.         try {
  44.             val outputStream = ByteArrayOutputStream()
  45.             gifEncoder.start(outputStream)
  46.             gifEncoder.setRepeat(0)
  48.             // 每一帧图片都进行重新编码
  49.             sampleImageFrames.zip(mergeFrameDurations).forEach {
  50.                 // 设置帧间隔
  51.                 gifEncoder.setDelay(it.second)
  52.                 gifEncoder.addFrame(it.first)
  53.                 it.first.recycle()
  54.             }
  55.             gifEncoder.finish()
  57.             resultData = outputStream.toByteArray()
  58.             outputStream.close()
  59.         } catch (e: IOException) {
  60.             e.printStackTrace()
  61.         }
  63.         return resultData
  64.     }

压缩分辨率的时候要注意，分辨率太大编码容易出现 Crash（应该是 OOM），这里设置为 512。

  1. /**
  2.      * 返回同步压缩 gif 图片 Byte 数据 [rawData] 每一帧长边到 [limitLongWidth] 后的 Byte 数据
  3.      */
  4.     private fun compressGifDataWithLongWidth(context: Context, rawData: ByteArray, limitLongWidth: Int): ByteArray? {
  5.         val gifDecoder = StandardGifDecoder(GifBitmapProvider(Glide.get(context).bitmapPool))
  6.         val headerParser = GifHeaderParser()
  7.         headerParser.setData(rawData)
  8.         val header = headerParser.parseHeader()
  9.         gifDecoder.setData(header, rawData)
  10.         val frameCount = gifDecoder.frameCount
  12.         // 计算帧的间隔
  13.         val frameDurations = (0..(frameCount - 1)).map { gifDecoder.getDelay(it) }
  15.         // 计算调整后大小
  16.         val longSideWidth = max(header.width, header.height)
  17.         val ratio = limitLongWidth.toFloat() / longSideWidth.toFloat()
  18.         val resizeWidth = (header.width.toFloat() * ratio).toInt()
  19.         val resizeHeight = (header.height.toFloat() * ratio).toInt()
  21.         // 每一帧进行缩放
  22.         val resizeImageFrames = (0 until frameCount).mapNotNull {
  23.             gifDecoder.advance()
  24.             var imageFrame = gifDecoder.nextFrame
  25.             if (imageFrame != null) {
  26.                 imageFrame = Bitmap.createScaledBitmap(imageFrame, resizeWidth, resizeHeight, true)
  27.             }
  28.             imageFrame
  29.         }
  31.         val gifEncoder = AnimatedGifEncoder()
  32.         var resultData: ByteArray? = null
  34.         try {
  35.             val outputStream = ByteArrayOutputStream()
  36.             gifEncoder.start(outputStream)
  37.             gifEncoder.setRepeat(0)
  39.             // 每一帧都进行重新编码
  40.             resizeImageFrames.zip(frameDurations).forEach {
  41.                 // 设置帧间隔
  42.                 gifEncoder.setDelay(it.second)
  43.                 gifEncoder.addFrame(it.first)
  44.                 it.first.recycle()
  45.             }
  47.             gifEncoder.finish()
  49.             resultData = outputStream.toByteArray()
  50.             outputStream.close()
  51.             return resultData
  52.         } catch (e: IOException) {
  53.             e.printStackTrace()
  54.         }
  55.         return resultData
  56.     }

分辨率压缩

这个是最常用的，而且也比较简单。

iOS

iOS 的 ImageIO 提供了 CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex 的 API 来创建缩放的缩略图。在 options 中添加需要缩放的长边参数即可。

  1. /// 同步压缩图片数据长边到指定数值
  2.     ///
  3.     /// - Parameters:
  4.     ///   - rawData: 原始图片数据
  5.     ///   - limitLongWidth: 长边限制
  6.     /// - Returns: 处理后数据
  7.     public static func compressImageData(_ rawData:Data, limitLongWidth:CGFloat) -> Data?{
  8.         guard max(rawData.imageSize.height, rawData.imageSize.width) > limitLongWidth else {
  9.             return rawData
  10.         }
  12.         guard let imageSource = CGImageSourceCreateWithData(rawData as CFData, [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary),
  13.             let writeData = CFDataCreateMutable(nil, 0),
  14.             let imageType = CGImageSourceGetType(imageSource) else {
  15.                 return nil
  16.         }
  19.         let frameCount = CGImageSourceGetCount(imageSource)
  21.         guard let imageDestination = CGImageDestinationCreateWithData(writeData, imageType, frameCount, nil) else{
  22.             return nil
  23.         }
  25.         // 设置缩略图参数，kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize 为生成缩略图的大小。当设置为 800，如果图片本身大于 800*600，则生成后图片大小为 800*600，如果源图片为 700*500，则生成图片为 800*500
  26.         let options = [kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize: limitLongWidth, kCGImageSourceCreateThumbnailWithTransform:true, kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageIfAbsent:true] as CFDictionary
  28.         if frameCount > 1 {
  29.             // 计算帧的间隔
  30.             let frameDurations = imageSource.frameDurations
  32.             // 每一帧都进行缩放
  33.             let resizedImageFrames = (0..<frameCount).compactMap{ CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(imageSource, $0, options) }
  35.             // 每一帧都进行重新编码
  36.             zip(resizedImageFrames, frameDurations).forEach {
  37.                 // 设置帧间隔
  38.                 let frameProperties = [kCGImagePropertyGIFDictionary : [kCGImagePropertyGIFDelayTime: $1, kCGImagePropertyGIFUnclampedDelayTime: $1]]
  39.                 CGImageDestinationAddImage(imageDestination, $0, frameProperties as CFDictionary)
  40.             }
  41.         } else {
  42.             guard let resizedImageFrame = CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(imageSource, 0, options) else {
  43.                 return nil
  44.             }
  45.             CGImageDestinationAddImage(imageDestination, resizedImageFrame, nil)
  46.         }
  48.         guard CGImageDestinationFinalize(imageDestination) else {
  49.             return nil
  50.         }
  52.         return writeData as Data
  53.     }

Android

Android 静态图用 Bitmap 里面的 createScaleBitmap API 就好了，GIF 上文已经讲了。

  1. /**
  2.      * 返回同步压缩图片 Byte 数据 [rawData] 的长边到 [limitLongWidth] 后的 Byte 数据，Gif 目标长边最大压缩到 512，超过用 512
  3.      */
  4.     fun compressImageDataWithLongWidth(context: Context, rawData: ByteArray, limitLongWidth: Int): ByteArray? {
  5.         val format = rawData.imageFormat()
  6.         if (format == ImageFormat.UNKNOWN) {
  7.             return null
  8.         }
  10.         val (imageWidth, imageHeight) = rawData.imageSize()
  11.         val longSideWidth = max(imageWidth, imageHeight)
  13.         if (longSideWidth <= limitLongWidth) {
  14.             return rawData
  15.         }
  17.         if (format == ImageFormat.GIF) {
  18.             // 压缩 Gif 分辨率太大编码时容易崩溃
  19.             return compressGifDataWithLongWidth(context, rawData, max(512, longSideWidth))
  20.         } else {
  21.             val image = BitmapFactory.decodeByteArray(rawData, 0, rawData.size)
  22.             val ratio = limitLongWidth.toDouble() / longSideWidth.toDouble()
  23.             val resizeImageFrame = Bitmap.createScaledBitmap(
  24.                 image,
  25.                 (image.width.toDouble() * ratio).toInt(),
  26.                 (image.height.toDouble() * ratio).toInt(),
  27.                 true
  28.             )
  29.             image.recycle()
  30.             var resultData: ByteArray? = null
  31.             when (format) {
  32.                 ImageFormat.PNG -> {
  33.                     resultData = resizeImageFrame.toByteArray(Bitmap.CompressFormat.PNG)
  34.                 }
  35.                 ImageFormat.JPG -> {
  36.                     resultData = resizeImageFrame.toByteArray(Bitmap.CompressFormat.JPEG)
  37.                 }
  38.                 else -> {
  39.                 }
  40.             }
  41.             resizeImageFrame.recycle()
  42.             return resultData
  43.         }
  44.     }

限制大小的压缩方式

也就是将前面讲的方法综合起来，笔者这边给出一种方案，没有对色彩进行改变，JPG 先用二分法减少最多 6 次的压缩系数，GIF 先抽帧，抽帧间隔参考前文，最后采用逼近目标大小缩小分辨率。

iOS

  1. /// 同步压缩图片到指定文件大小
  2.     ///
  3.     /// - Parameters:
  4.     ///   - rawData: 原始图片数据
  5.     ///   - limitDataSize: 限制文件大小，单位字节
  6.     /// - Returns: 处理后数据
  7.     public static func compressImageData(_ rawData:Data, limitDataSize:Int) -> Data?{
  8.         guard rawData.count > limitDataSize else {
  9.             return rawData
  10.         }
  12.         var resultData = rawData
  14.         // 若是 JPG，先用压缩系数压缩 6 次，二分法
  15.         if resultData.imageFormat == .jpg {
  16.             var compression: Double = 1
  17.             var maxCompression: Double = 1
  18.             var minCompression: Double = 0
  19.             for _ in 0..<6 {
  20.                 compression = (maxCompression + minCompression) / 2
  21.                 if let data = compressImageData(resultData, compression: compression){
  22.                     resultData = data
  23.                 } else {
  24.                     return nil
  25.                 }
  26.                 if resultData.count < Int(CGFloat(limitDataSize) * 0.9) {
  27.                     minCompression = compression
  28.                 } else if resultData.count > limitDataSize {
  29.                     maxCompression = compression
  30.                 } else {
  31.                     break
  32.                 }
  33.             }
  34.             if resultData.count <= limitDataSize {
  35.                 return resultData
  36.             }
  37.         }
  39.         // 若是 GIF，先用抽帧减少大小
  40.         if resultData.imageFormat == .gif {
  41.             let sampleCount = resultData.fitSampleCount
  42.             if let data = compressImageData(resultData, sampleCount: sampleCount){
  43.                 resultData = data
  44.             } else {
  45.                 return nil
  46.             }
  47.             if resultData.count <= limitDataSize {
  48.                 return resultData
  49.             }
  50.         }
  52.         var longSideWidth = max(resultData.imageSize.height, resultData.imageSize.width)
  53.         // 图片尺寸按比率缩小，比率按字节比例逼近
  54.         while resultData.count > limitDataSize{
  55.             let ratio = sqrt(CGFloat(limitDataSize) / CGFloat(resultData.count))
  56.             longSideWidth *= ratio
  57.             if let data = compressImageData(resultData, limitLongWidth: longSideWidth) {
  58.                 resultData = data
  59.             } else {
  60.                 return nil
  61.             }
  62.         }
  63.         return resultData
  64.     }

Android

  1. /**
  2.      * 返回同步压缩图片 Byte 数据 [rawData] 的数据大小到 [limitDataSize] 后的 Byte 数据
  3.      */
  4.     fun compressImageDataWithSize(context: Context, rawData: ByteArray, limitDataSize: Int): ByteArray? {
  5.         if (rawData.size <= limitDataSize) {
  6.             return rawData
  7.         }
  9.         val format = rawData.imageFormat()
  10.         if (format == ImageFormat.UNKNOWN) {
  11.             return null
  12.         }
  14.         var resultData = rawData
  16.         // 若是 JPG，先用压缩系数压缩 6 次，二分法
  17.         if (format == ImageFormat.JPG) {
  18.             var compression = 100
  19.             var maxCompression = 100
  20.             var minCompression = 0
  22.             try {
  23.                 val outputStream = ByteArrayOutputStream()
  24.                 for (index in 0..6) {
  25.                     compression = (maxCompression + minCompression) / 2
  26.                     outputStream.reset()
  27.                     val image = BitmapFactory.decodeByteArray(rawData, 0, rawData.size)
  28.                     image.compress(Bitmap.CompressFormat.JPEG, compression, outputStream)
  29.                     image.recycle()
  30.                     resultData = outputStream.toByteArray()
  31.                     if (resultData.size < (limitDataSize.toDouble() * 0.9).toInt()) {
  32.                         minCompression = compression
  33.                     } else if (resultData.size > limitDataSize) {
  34.                         maxCompression = compression
  35.                     } else {
  36.                         break
  37.                     }
  38.                 }
  39.                 outputStream.close()
  40.             } catch (e: IOException) {
  41.                 e.printStackTrace()
  42.             }
  44.             if (resultData.size <= limitDataSize) {
  45.                 return resultData
  46.             }
  47.         }
  49.         // 若是 GIF，先用抽帧减少大小
  50.         if (format == ImageFormat.GIF) {
  51.             val sampleCount = resultData.fitSampleCount()
  52.             val data = compressGifDataWithSampleCount(context, resultData, sampleCount)
  53.             if (data != null) {
  54.                 resultData = data
  55.             } else {
  56.                 return null
  57.             }
  59.             if (resultData.size <= limitDataSize) {
  60.                 return resultData
  61.             }
  62.         }
  65.         val (imageWidth, imageHeight) = resultData.imageSize()
  66.         var longSideWidth = max(imageWidth, imageHeight)
  68.         // 图片尺寸按比率缩小，比率按字节比例逼近
  69.         while (resultData.size > limitDataSize) {
  70.             val ratio = Math.sqrt(limitDataSize.toDouble() / resultData.size.toDouble())
  71.             longSideWidth = (longSideWidth.toDouble() * ratio).toInt()
  72.             val data = compressImageDataWithLongWidth(context, resultData, longSideWidth)
  73.             if (data != null) {
  74.                 resultData = data
  75.             } else {
  76.                 return null
  77.             }
  78.         }
  80.         return resultData
  81.     }

注意在异步线程中使用，毕竟是耗时操作。

最后

所有代码均封装成文件在 iOS 和 Android 中了，如有错误和建议，欢迎指出。

Reference

  • 无损压缩 vs 有损压缩 vs 损多少
  • 图片格式 jpg、png、gif各有什么优缺点？什么情况下用什么格式的图片呢？
  • 也谈图片压缩
  • 移动端图片格式调研
  • 浓缩的才是精华：浅析 GIF 格式图片的存储和压缩
  • 压缩gif的正确姿势
  • 谈谈 iOS 中图片的解压缩
  • iOS平台图片编解码入门教程（Image/IO篇）

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