目前几种图片格式

 几种图片格式的简介

首先谈一下大家耳熟能详的几种老牌的图片格式吧：
JPEG 是目前最常见的图片格式，它诞生于 1992 年，是一个很古老的格式。它只支持有损压缩，其压缩算法可以精确控制压缩比，以图像质量换得存储空间。由于它太过常见，以至于许多移动设备的 CPU 都支持针对它的硬编码与硬解码。
PNG 诞生在 1995 年，比 JPEG 晚几年。它本身的设计目的是替代 GIF 格式，所以它与 GIF 有更多相似的地方。PNG 只支持无损压缩，所以它的压缩比是有上限的。相对于 JPEG 和 GIF 来说，它最大的优势在于支持完整的透明通道。

GIF 诞生于 1987 年，随着初代互联网流行开来。它有很多缺点，比如通常情况下只支持 256 种颜色、透明通道只有 1 bit、文件压缩比不高。它唯一的优势就是支持多帧动画，凭借这个特性，它得以从 Windows 1.0 时代流行至今，而且仍然大受欢迎。

在上面这些图片格式诞生后，也有不少公司或团体尝试对他们进行改进，或者创造其他更加优秀的图片格式，比如 JPEG 小组的 JPEG 2000、微软的 JPEG-XR、Google 的 WebP、个人开发者发布的 BPG、FLIF 等。它们相对于老牌的那几个图片格式来说有了很大的进步，但出于各种各样的原因，只有少数几个格式能够流行开来。下面三种就是目前实力比较强的新兴格式了：
APNG 是 Mozilla 在 2008 年发布的一种图片格式，旨在替换掉画质低劣的 GIF 动画。它实际上只是相当于 PNG 格式的一个扩展，所以 Mozilla 一直想把它合并到 PNG 标准里面去。然而 PNG 开发组并没有接受 APNG 这个扩展，而是一直在推进它自己的 MNG 动图格式。MNG 格式过于复杂以至于并没有什么系统或浏览器支持，而 APNG 格式由于简单容易实现，目前已经渐渐流行开来。Mozilla 自己的 Firefox 首先支持了 APNG，随后苹果的 Safari 也开始有了支持， Chrome 目前也已经尝试开始支持 ，可以说未来前景很好。
WebP 是 Google 在 2010 年发布的图片格式，希望以更高的压缩比替代 JPEG。它用 VP8 视频帧内编码作为其算法基础，取得了不错的压缩效果。它支持有损和无损压缩、支持完整的透明通道、也支持多帧动画，并且没有版权问题，是一种非常理想的图片格式。借由 Google 在网络世界的影响力，WebP 在几年的时间内已经得到了广泛的应用。看看你手机里的 App：微博、微信、QQ、淘宝、网易新闻等等，每个 App 里都有 WebP 的身影。Facebook 则更进一步，用 WebP 来显示聊天界面的贴纸动画。
BPG 是著名程序员 Fabrice Bellard 在去年 (2014年) 发布的一款超高压缩比的图片格式。这个程序员有些人可能感觉面生，但说起他的作品 FFmpeg、QEMU 大家想必是都知道的。BPG 使用 HEVC (即 H.265) 帧内编码作为其算法基础，就这点而言，它毋庸置疑是当下最为先进的图片压缩格式。相对于 JP2、JPEG-XR、WebP 来说，同等体积下 BPG 能提供更高的图像质量。另外，得益于它本身基于视频编码算法的特性，它能以非常小的文件体积保存多帧动画。 Fabrice Bellard 聪明的地方在于，他知道自己一个人无法得到各大浏览器厂商的支持，所以他还特地开发了 JavaScript 版的解码器，任何浏览器只要加载了这个 76KB 大小的 JS 文件，就可以直接显示 BPG 格式的图片了。目前阻碍它流行的原因就是 HEVC 的版权问题和它较长的编码解码时间。尽管这个图片格式才刚刚发布一年，但已经有不少厂子开始试用了，比如阿里和腾讯。
移动端图片类型的支持情况

目前主流的移动端对图片格式的支持情况如何呢？我们分别来看一下 Android 和 iOS 目前的图片编解码架构吧：

mobile_image_arch
Android 的图片编码解码是由 Skia 图形库负责的，Skia 通过挂接第三方开源库实现了常见的图片格式的编解码支持。目前来说，Android 原生支持的格式只有 JPEG、PNG、GIF、BMP 和 WebP (Android 4.0 加入)，在上层能直接调用的编码方式也只有 JPEG、PNG、WebP 这三种。目前来说 Android 还不支持直接的动图编解码。
iOS 底层是用 ImageIO.framework 实现的图片编解码。目前 iOS 原生支持的格式有：JPEG、JPEG2000、PNG、GIF、BMP、ICO、TIFF、PICT，自 iOS 8.0 起，ImageIO 又加入了 APNG、SVG、RAW 格式的支持。在上层，开发者可以直接调用 ImageIO 对上面这些图片格式进行编码和解码。对于动图来说，开发者可以解码动画 GIF 和 APNG、可以编码动画 GIF。
两个平台在导入第三方编解码库时，都多少对他们进行了一些修改，比如 Android 对 libjpeg 等进行的调整以更好的控制内存，iOS 对 libpng 进行了修改以支持 APNG，并增加了多线程编解码的特性。除此之外，iOS 专门针对 JPEG 的编解码开发了 AppleJPEG.framework，实现了性能更高的硬编码和硬解码，只有当硬编码解码失败时，libjpeg 才会被用到。
静态图片的编码与解码

由于我目前主要是做 iOS 开发，所以下面的性能评测都是基于 iPhone 的，主要测试代码可以在这里看到。测试素材很少，只有两个：

dribbble512_pngcrushlena512_weibo
第一张是Dribbble 的 Logo，包含 Alpha 通道，用于测试简单的、图形类的图像。
第二张经典的 Lena 图，用于测试照片类的、具有丰富细节的图像。
每个图像都有 64x64、128x128、256x256、512x512 四种分辨率。
测试素材过少可能导致某些测试不够准确，但作为参考大致是没问题的。
JPEG
目前比较知名的 JPEG 库有以下三个：
    libjpeg：开发时间最早，使用最广泛的 JPEG 库。由于 JPEG 标准过于复杂和模糊，并没有其他人去实现，所以这个库是 JPEG 的事实标准。
    libjpeg-turbo：一个致力于提升编解码速度的 JPEG 库。它基于 libjpeg 进行了改造，用 SIMD 指令集 (MMX、SSE2、NEON) 重写了部分代码，官网称相对于 libjpeg 有 2 到 4 倍的性能提升。
    MozJPEG： 一个致力于提升压缩比的 JPEG 库。它是 Mozilla 在 2014 年发布的基于 libjpeg-turbo 进行改造的库，相对于 libjpeg 有 5% ~ 15%  的压缩比提升，但相应的其编码速度也慢了很多。
除了上面这三个库，苹果自己也开发了一个 AppleJPEG，但并没有开源。其调用了芯片提供的 DSP 硬编码和硬解码的功能。虽然它不如上面这三个库功能完善，但其性能非常高。在我的测试中，其编解码速度通常是 libjpeg-turbo 的 1~2 倍。可惜的是，目前开发者并不能直接访问这个库。

下面是 ImageIO (AppleJPEG/libpng) 在 iPhone 6 上的编解码性能：

jpeg_bench_dribbble jpeg_bench_lena
可以看到，JPEG 编码中 quality 越小，图片体积就越小，质量越也差，编码时间也越短。解码时间并没有很大的差距，可能是其大部分时间消耗在了函数调用、硬件调用上。苹果在自己的相册 Demo 中提供的 quality 的默认值是 0.9，在这个值附近，图像质量和体积、编码解码时间之间都能取得不错的平衡。
PNG
相对于 JPEG 来说，PNG 标准更为清晰和简单，因此有很多公司或个人都有自己的 PNG 编码解码实现。但目前使用最广的还是 PNG 官方发布的 libpng 库。iOS 和 Android 底层都是调用这个库实现的 PNG 编解码。

下面是 PNG 在 iPhone 6 上的编解码性能：

jpeg_png_bench
可以看到，在编解码图形类型（颜色少、细节少）的图片时，PNG 和 JPEG 差距并不大；但是对于照片类型（颜色和细节丰富）的图片来说，PNG 在文件体积、编解码速度上都差 JPEG 不少了。

和 JPEG 不同，PNG 是无损压缩，其并不能提供压缩比的选项，其压缩比是有上限的。目前网上有很多针对 PNG 进行优化的工具和服务，旨在提升 PNG 的压缩比。下面是常见的几个 PNG 压缩工具的性能对比：

png_tools_bench
pngcrush 是 Xcode 自带的 PNG 压缩工具，相对于设计师用 Photoshop 生成的图片来说，它能取得不错的压缩效果。ImageOptim 则更进一步，对每张图用多种缩算法进行比对，选择压缩比更高的结果，进一步缩小了文件体积。TinyPNG.com 相对于其他工具来说，压缩比高得不像话。它启用了类似 GIF 那样的颜色索引表对 PNG 进行压缩，所以会导致颜色丰富的图片丢失掉一部分细节。如果使用 TinyPNG 的话，最好在压缩完成后让设计师看一下颜色效果是否可以接受。
WebP
WebP 标准是 Google 定制的，迄今为止也只有 Google 发布的 libwebp 实现了该的编解码 。 所以这个库也是该格式的事实标准。
WebP 编码主要有几个参数：
    lossless: YES:有损编码 NO:无损编码。WebP 主要优势在于有损编码，其无损编码的性能和压缩比表现一般。
    quality: [0~100] 图像质量，0表示最差质量，文件体积最小，细节损失严重，100表示最高图像质量，文件体积较大。该参数只针对有损压缩有明显效果。Google 官方的建议是 75，腾讯在对 WebP 评测时给出的建议也是 75。在这个值附近，WebP 能在压缩比、图像质量上取得较好的平衡。
    method: [0~6] 压缩比，0表示快速压缩，耗时短，压缩质量一般，6表示极限压缩，耗时长，压缩质量好。该参数也只针对有损压缩有明显效果。调节该参数最高能带来 20% ～ 40% 的更高压缩比，但相应的编码时间会增加 5～20 倍。Google 推荐的值是 4。
对于编码无损图片来说，quality=0, method=0~3 是相对来说比较合适的参数，能够节省编码时间，同时也有不错的压缩比。无损编码图片，quality=75, method=2~4 是比较合适的参数，能在编码时间、图片质量、文件体积之间有着不错的平衡。
WebP 解码有三个参数：
    use_threads: 是否启用 pthread 多线程解码。该参数只对宽度大于 512 的有损图片起作用。开启后内部会用多线程解码，CPU 占用会更高，解码时间平均能缩短 10%～20%。
    bypass_filtering: 是否禁用滤波。该参数只对有损图片起作用，开启后大约能缩短 5%～10% 的解码时间，但会造成一些颜色过渡平滑的区域产生色带（banding）。
    no_fancy_upsampling: 是否禁用上采样。该参数只对有损图片起作用。在我的测试中，开启该参数后，解码时间反而会增加 5～25%，同时会造成一些图像细节的丢失，线条边缘会增加杂色，显得不自然。
通常情况下，这三个参数都设为 NO 即可，如果要追求更高的解码速度，则可以尝试开启 use_threads 和 bypass_filtering 这两个参数。而 no_fancy_upsampling 在任何情况下都没必要开启。
由于 WebP 测试数据较多，这里只贴一下 512x512 大小的一部分测试结果，感兴趣的可以看文章结尾处的 Excel 附件。

webp_bench

对于简单的图形类型的图像（比如 App 内的各种 UI 素材），WebP 无损压缩的文件体积和解码速度某些情况下已经比 PNG 还要理想了，如果你想要对 App 安装包体积进行优化，可以尝试一下 WebP。
对于复杂的图像（比如照片）来说，WebP 无损编码表现并不好，但有损编码表现却非常棒。相近质量的图片解码速度 WebP 相距 JPEG 也已经相差不大了，而文件压缩比却能提升不少。
BPG

BPG 是目前已知最优秀的有损压缩格式了，它能在相同质量下比 JPEG 减少 50% 的体积。下面是经典的 Lena 图的对比，你也可以在这里看到大量其他图片的 BPG、JPEG、JPEG2000、JPEG-XR、WebP 压缩效果的在线对比，效果非常明显。

bpg_demo
BPG 目前只有作者发布的 libbpg 可用。但作者基于 libbpg 编译出了一个 Javascript 解码器，很大的扩展了可用范围。bpg 可以以无损和有损压缩两种方式进行编码，有损压缩时可以用 quality 参数控制压缩比，可选范围为 0～51，数值越大压缩比越高。通常来说，25 附近是一个不错的选择，BPG 官方工具默认值是 28。

libbpg 目前并没有针对 ARM NEON 做优化，所以其在移动端的性能表现一般。下面是 iPhone 6 上的性能测试：

bpg_bench

由于 bpg 编码时间太长，我并没有将数据放到表格里。可以看到相同质量下，BPG 的解码速度还是差 JPEG 太多，大约慢了 3～5 倍。目前来说，BPG 适用于那些对流量非常敏感，但对解码时间不敏感的地方。从网上的新闻来看，手机淘宝和手机QQ都已经有所尝试，但不清楚他们是否对 BPG 解码进行了优化。

动态图片的编码与解码
动图在网络上非常受欢迎，它近似视频，但通常实现简单、文件体积小，应用范围非常广泛。动图的始祖是 GIF，它自 Windows 1.0 时代就在互联网上流行开来，直到今天仍然难以被其他格式取代。尽管它非常古老，但其所用的原理和今天几种新兴格式几乎一样。

下面是一张 GIF 格式的 QQ 大表情：

bench_gif_demo

这张表情由 6 幅静态图构成，每幅图片有一定的存活时间，连贯播放就形成了动画：

bench_gif_demo1

这几张图中，大部分内容是相近的，为了压缩文件体积，通常动图格式都支持一些特殊的方式对相似图片进行裁剪，只保留前后帧不同的部分：

bench_gif_demo2
在解码动图时，解码器通常采用所谓"画布模式"进行渲染。想象一下：播放的区域是一张画布，第一帧播放前先把画布清空，然后完整的绘制上第一帧图；播放第二帧时，不再清空画布，而是只把和第一帧不同的区域覆盖到画布上，就像油画的创作那样。
像这样的第一帧就被称为关键帧（即 I 帧，帧内编码帧），而后续的那些通过补偿计算得到的帧被称为预测编码帧（P帧）。一个压缩的比较好的动图内，通常只有少量的关键帧，而其余都是预测编码帧；一个较差的压缩工具制作的动图内，则基本都是关键帧。不同的动图压缩工具通常能得到不同的结果。
除此之外，动图格式通常有更为详细的参数控制每一帧的绘制过程，下面是 GIF/APNG/WebP 通用的几个参数：
Disposal Method (清除方式) 
   Do Not Dispose：把当前帧增量绘制到画布上，不清空画布。
   Restore to Background：绘制当前帧之前，先把画布清空为默认背景色。
   Restore to Previous：绘制下一帧前，把先把画布恢复为当前帧的前一帧
Blend Mode (混合模式) 
   Blend None: 绘制时，全部通道（包含Alpha通道）都会覆盖到画布，相当于绘制前先清空画布的指定区域。
   Blend over：绘制时，Alpha 通道会被合成到画布，即通常情况下两张图片重叠的效果。
上面这些技术，就是常见动图格式的基础了，下面分别介绍一下不同动图格式的特点。
GIF

GIF 缺陷非常明显：它通常只支持 256 色索引颜色，这导致它只能通过抖动、差值等方式模拟较多丰富的颜色；它的 Alpha 通道只有 1 bit，这意味着一个像素只能是完全透明或者完全不透明。

gif_apng_demo

上面这是腾讯博客里的一张演示图，可以看到 GIF 由于 Alpha 通道的问题，产生了严重的"毛边"现象。目前通常的解决方案是在图片的边缘加一圈白边，以减轻这种视觉效果：

gif_wrong_demo
可以仔细观察一下 QQ、微信等 App 里面的动画表情，几乎每个表情都被一圈白边所环绕，不得不说是一种很无奈的解决方案。
GIF 的制作工具有很多，但效果好、压缩比高的工具非常少。对于已经制作好的 GIF 来说，用imagemagick 处理一下可以把文件体积压缩不少。如果需要将视频转为 GIF，Cinemagraph Pro 是个不错的傻瓜化工具。这里有一篇文章介绍如何用 ffmpeg 压缩 GIF，虽然参数调节有点麻烦，但效果非常理想。

下面是没有经过优化的 GIF 和经过 ffmpeg 优化编码的 GIF，可以看到差距非常大。

bbb-trans bbb-nodither
APNG
APNG 目前并没有被 PNG 官方所接受，所以 libpng 并不能直接解码 APNG。但由于 APNG 只是基于 PNG 的一个简单扩展，所以在已经支持 PNG 的平台上，可以很轻松的用少量代码实现 APNG 的编解码。Chromium 为了支持 APNG 播放，只增加了不到 600 行代码 ，我自己也用大概 500 行 C 代码实现了一个简单的 APNG 编解码工具。另外，在支持 canvas 的浏览器上，可以用 apng-canvas 直接显示 APNG 动画。APNG 压缩最好的工具目前是 apngasm，大部分图形化工具比如腾讯的 iSparta 都是基于这个工具开发的。
就目前而言， APNG 是 GIF 最好的替代了：实现简单，可用范围广，压缩比不错，显示效果好。
WebP
WebP 在 2010 年 发布时并没有支持动图。2012 年 libwebp v0.2 的时候，Google 才开始尝试支持动画，但其实现有很多问题，性能也非常差，以至于 Chrome 团队一直都没有接受。直到 2013年，libwebp v0.4 时，动画格式才稳定下来才被 Chrome 所接受。
WebP 动图实际上是把多个单帧 WebP 数据简单打包到一个文件内，而并不是由单帧 WebP 扩展而来，以至于动图格式并不能向上兼容静态图。如果要支持动图，首先在编译 libwebp 时需要加上 demux 模块，解码 WebP 时需要先用 WebPDemuxer 尝试拆包，之后再把拆出来的单帧用 WebPDecode 解码。为了方便编译，我写了个脚本用于打包 iOS 的静态库，加入了 mux 和 demux 模块。
Google 提供了两个简单的命令行工具用于制作动图：gif2webp 能把 GIF 转换为 WebP， webpmux 能把多个 WebP 图片打包为动态图，并且有着很多参数可以调节。这两个工具对相近帧的压缩并不太理想，以至于有的情况下压缩比还不如 APNG，但除此以外也没有其他什么更好的工具可以用了。
BPG
BPG 本身是基于 HEVC (H.265) 视频编码的，其最开始设计时就考虑到了动图的实现。由于它充分利用了 HEVC 的高压缩比和视频编码的特性，其动图压缩比远超其他格式。这里和这里有几张 BPG 动图示例，可以看到相同质量下 BPG 动图只有 APNG/WebP/GIF 几十分之一的大小。

我在这里写了个简单的利用 libbpg 解码动图的方法，如有需要可以参考下。

动图性能对比

我把下面这张 GIF 分别转为 WebP、APNG、BPG 动图，并在 iPhone 6 上对其所有帧进行解码。

gif_ermilio

评测结果如下：

anim_bench
APNG 在文件体积上比 GIF 略有优势，解码时间相差不多。WebP 在体积和解码时间上都具有较大的优势。BPG 在体积上优势最大，但解码时间也最长。这么看来，APNG 和 WebP 都是不错的选择，而 BPG 还有待性能优化。
最后做一个小广告：如果你是 iOS 平台的开发者，可以试试我开发的 YYWebImage，它支持 APNG、WebP、GIF 动图的异步加载与播放、编码与解码，支持渐进式图像加载，可以替代 SDWebImage、PINRemoteImage、FLAnimatedImage 等开源库。【】】】

文完