前段時(shí)間發(fā)布的小米10系列手機(jī)采用了一種新的圖片格式：HEIF，能夠在保持畫(huà)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(kuò)展名一般是.HEIC（也有其他的格式）。看到這個(gè)格式名，用iPhone的小伙伴一定很熟悉。
沒(méi)錯(cuò)，蘋(píng)果在2017年iOS 11系統(tǒng)上就已經(jīng)開(kāi)始支持這種圖片格式，大家可以去翻翻IT之家的老文章（點(diǎn)此前往）。
據(jù)汐元所知，蘋(píng)果應(yīng)該是最早在手機(jī)上廣泛應(yīng)用HEIF圖片格式的了，不過(guò)當(dāng)時(shí)很多小伙伴對(duì)這個(gè)圖片格式不太了解，加上當(dāng)年兼容性不好，給大家導(dǎo)圖片帶來(lái)諸多不便，所以，很多小伙伴對(duì)蘋(píng)果當(dāng)時(shí)的決定表示不屑，甚至不滿。
感受一下當(dāng)年很多網(wǎng)友的評(píng)論：
包括汐元也是，因?yàn)樽鲈u(píng)測(cè)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(kāi)這個(gè)格式，還要轉(zhuǎn)格式，任務(wù)著急的時(shí)候真心想給蘋(píng)果寄刀片。
不過(guò)，時(shí)間證明，蘋(píng)果的決定是對(duì)的，我錯(cuò)了。
后來(lái)，Windows 10系統(tǒng)和安卓9系統(tǒng)在2018年也開(kāi)始支持HEIF圖片格式。同年，三星Note9其實(shí)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(jì)JPEG和GIF就可以淘汰了。
汐元覺(jué)得，未來(lái)如果HEIF普及了，也許真的可以取代JPEG和GIF。
寫(xiě)這句話的時(shí)候，汐元覺(jué)得臉上火辣辣得疼。
說(shuō)到這里，相信大家都很好奇，HEIF究竟是怎么夠做到保證畫(huà)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(méi)有明確針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。所以這篇文章打算聚焦這個(gè)問(wèn)題來(lái)為大家介紹。
為什么HEIF相比JPEG能夠在畫(huà)質(zhì)不變的情況下將文件體積大幅縮??？
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(shí)說(shuō)的是一種圖像壓縮的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用這種標(biāo)準(zhǔn)壓縮出來(lái)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)一個(gè)的像素點(diǎn)。
每個(gè)像素點(diǎn)，都包含了描述這個(gè)像素點(diǎn)顏色的一組數(shù)值，這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)采用的是一種叫做YCbCr的色彩空間。所以壓縮之前，要先進(jìn)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(lán)色的彩度，Cr表示的是紅色的彩度。
換句話說(shuō)，Y代表亮度，CbCr代表色彩。
轉(zhuǎn)換之后，每個(gè)像素背后變成了另一組數(shù)值。
因?yàn)槿搜蹖?duì)亮度敏感，對(duì)色彩不那么敏感，所以實(shí)際壓縮的時(shí)候，JPEG標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)對(duì)亮度信息做太多改變，主要對(duì)色彩信息做壓縮。
壓縮有兩種，一種是有損壓縮，一種是無(wú)損壓縮。JPEG在壓縮時(shí)，兩種都會(huì)用，一般先進(jìn)行有損壓縮，然后進(jìn)行無(wú)損壓縮。
有損壓縮第一步是對(duì)Cb通道和Cr通道的色彩數(shù)據(jù)按照一定的比例進(jìn)行取樣。這個(gè)過(guò)程就損失了一部分?jǐn)?shù)據(jù)。
第二步，就是將一張圖片中的像素分成無(wú)數(shù)個(gè)8×8像素的方塊，每個(gè)方塊里有64個(gè)像素，對(duì)應(yīng)64組數(shù)據(jù)。
然后，將這64組數(shù)據(jù)進(jìn)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(jiǎn)潔一些的系數(shù)矩陣。
至于這個(gè)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(guò)DCT變換后，64組像素?cái)?shù)值變成了64個(gè)系數(shù)，這個(gè)過(guò)程又產(chǎn)生了數(shù)據(jù)損失。
接下來(lái)，對(duì)于這一組8×8的序數(shù)矩陣，還不能直接處理，要繼續(xù)進(jìn)行一步叫“量化”的處理過(guò)程。
量化是怎么進(jìn)行的大家不用知道，只需要知道，量化的目的是適當(dāng)減小矩陣內(nèi)各個(gè)像素點(diǎn)之間的差別。因?yàn)槿搜蹖?duì)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(guò)量化處理后，8×8的序數(shù)矩陣變成了一組更加簡(jiǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)。
好，走到這一步，接下來(lái)就是無(wú)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(lái)。提取的順序是這樣“Z”字型的。
提取出來(lái)后，得到64個(gè)數(shù)據(jù)。這64個(gè)數(shù)據(jù)中，第一個(gè)數(shù)字叫DC系數(shù)編碼，后面63個(gè)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(gè)8×8的小方塊，都進(jìn)行上述處理后，就有很多很多個(gè)DC系數(shù)。
我們把這很多很多個(gè)DC系數(shù)抽出來(lái)，組成一個(gè)集體，然后對(duì)它們進(jìn)行差分編碼和哈夫曼編碼。
至于其他的AC系數(shù)，我們對(duì)他們進(jìn)行行程編碼。
這樣，JPEG標(biāo)準(zhǔn)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(huì)比原圖小很多，當(dāng)然圖片質(zhì)量也會(huì)有所損失。
但我們要說(shuō)的還沒(méi)完。
上面三種無(wú)損壓縮編碼的操作過(guò)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(duì)于一串?dāng)?shù)字，除了第一個(gè)數(shù)字，其他數(shù)字都表示為它和前一個(gè)數(shù)字的差。例如100、101、103、104、107這串?dāng)?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?dāng)?shù)據(jù)里，用短字符表示出現(xiàn)頻率多的數(shù)字，用稍長(zhǎng)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(gè)字反復(fù)出現(xiàn)，那我們就用“1”來(lái)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(gè)例子并不嚴(yán)謹(jǐn)，只是為了方便大家理解哈夫曼編碼的思想，實(shí)際操作很復(fù)雜的，要考慮概率、做二叉樹(shù)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(jiǎn)單了，直接用例子說(shuō)明。假如有一串字符“aaabbbccccdddddd”，它包括3個(gè)a，3個(gè)b，4個(gè)c，6個(gè)d，所以就把它編碼為“3a3b4c6d”。
很明顯，要想讓這些無(wú)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(fèi)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(jìn)行無(wú)損壓縮的數(shù)據(jù)。
通常情況下，一張圖片里面，其實(shí)是有很多相同或相近的像素點(diǎn)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(gè)事兒的，這么說(shuō)相信大家能理解。
說(shuō)了那么多JPEG，那HEIF呢？
別急，當(dāng)我們掌握了JPEG圖像壓縮的方法，對(duì)于HEIF是怎樣進(jìn)一步壓縮圖片體積的，就好理解多了。
其實(shí)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(xì)節(jié)上有改進(jìn)。
我們需要先做一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明。其實(shí)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(gè)比方，一張圖片的信息，它們其實(shí)是經(jīng)過(guò)HEVC的編碼方式進(jìn)行編碼，然后將編碼后的信息用一個(gè)盒子（容器）裝起來(lái)，這個(gè)盒子就叫HEIF。
HEIF是把盒子和編碼方式分開(kāi)了，而JPEG沒(méi)有。
HEIF的這種操作方式和很多視頻格式很像，我們經(jīng)常看到的MP4、MKV、AVI等視頻格式，其實(shí)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(shí)候，都是先把盒子打開(kāi)，然后再解碼里面的編碼文件。
上面提到的H.265還有一個(gè)名字，就叫HEVC，沒(méi)錯(cuò)，也就是HEIF格式主要采用的編碼方式，所以說(shuō)這個(gè)圖片格式其實(shí)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(jiàn)。它的編碼方式和對(duì)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(wèn)題就變成了，HEVC的編碼方式是怎么將體積縮小的呢？
其實(shí)主要有兩點(diǎn)。
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(lái)進(jìn)行壓縮編碼的。
而在HEVC編碼方式中，這個(gè)像素塊的劃分方式更靈活，最大可以允許以64×64來(lái)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(shù)單元?jiǎng)澐帧?/span>
這么做有什么好處呢？答案就是，在面對(duì)一張圖片的時(shí)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(lái)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(lái)劃分。
這種根據(jù)實(shí)際情況來(lái)劃分的編碼單元，可以很大程度提高編碼效率。特別是針對(duì)4K等高分辨率、像素量大的照片，優(yōu)勢(shì)更明顯。
HEIF照片的文件體積能夠縮小，大部分要?dú)w結(jié)于此。
其次是第二點(diǎn)。前面介紹JPEG時(shí)我們講了它使用的幾種無(wú)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(lái)說(shuō)，其實(shí)最主要的是哈夫曼編碼，它是可以改進(jìn)的。
在HEIF標(biāo)準(zhǔn)中，這種無(wú)損編碼方式主要采用了自適應(yīng)的二進(jìn)制算術(shù)編碼（下面簡(jiǎn)稱“算術(shù)編碼”）。
其實(shí)，隨著JPEG跟隨時(shí)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(jìn)一步提高編碼效率。
其實(shí)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(yǔ)講清楚，這里也不方便展開(kāi)說(shuō)了?？傊?，算術(shù)編碼最后得到的是一個(gè)很簡(jiǎn)潔，但是很長(zhǎng)的小數(shù)。
正是因?yàn)閿?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(duì)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(huà)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(shí)，大家可以比較輕松地了解到。IT之家之前也轉(zhuǎn)了小米官方對(duì)HEIF格式介紹的文章。
HEIF的全名是高效率圖像格式（High Efficiency Image Format），是運(yùn)動(dòng)圖像專家組（MPEG）在2013年推出的。它和前面的JPEG不是一個(gè)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(hù)（HEIF官網(wǎng)：點(diǎn)此前往）。
有意思的是，HEIF的關(guān)鍵編碼技術(shù)HEVC，華為正是主要推動(dòng)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(dāng)然啦，小米10憑借自身的話題性，對(duì)HEIF圖片格式的進(jìn)一步普及確實(shí)也起到了推動(dòng)作用。
無(wú)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(jī)攝像頭像素已經(jīng)能達(dá)到億級(jí)了，JPG格式下手機(jī)的存儲(chǔ)空間確實(shí)吃緊。
畢竟，總不能只因?yàn)橐嬲掌头堑觅I更大存儲(chǔ)空間的手機(jī)吧。
參考
中國(guó)大學(xué)MOOC-長(zhǎng)江大學(xué)公開(kāi)課，2019-08-05，《靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)：JPEG編碼（視頻）》。
中國(guó)大學(xué)MOOC-長(zhǎng)江大學(xué)公開(kāi)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(jí)ing，2018-11-29，《H.264和H.265（HEVC）深度解析及對(duì)比》。
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