腾讯技术分享：GIF动图技术详解及手机QQ动态表情压缩技术实践
本文來自騰訊前端開發工程師“ wendygogogo”的技術分享，作者自評：“在Web前端摸爬滾打的碼農一枚，對技術充滿熱情的菜鳥，致力為手Q的建設添磚加瓦。”
1、GIF格式的歷史
GIF ( Graphics Interchange Format )原義是“圖像互換格式”，是 CompuServe 公司在1987年開發出的圖像文件格式，可以說是互聯網界的老古董了。
GIF 格式可以存儲多幅彩色圖像，如果將這些圖像((https://www.qcloud.com/document/ ... w.59167.59167.59167)連續播放出來，就能夠組成最簡單的動畫。所以常被用來存儲“動態圖片”，通常時間短，體積小，內容簡單，成像相對清晰，適于在早起的慢速互聯網上傳播。
本來，隨著網絡帶寬的拓展和視頻技術的進步，這種圖像已經漸漸失去了市場。可是，近年來流行的表情包文化，讓老古董 GIF 圖有了新的用武之地。
表情包通常來源于手繪圖像，或是視頻截取，目前有很多方便制作表情包的小工具。
這類圖片通常具有文件體積小，內容簡單，兼容性好（無需解碼工具即可在各類平臺上查看），對畫質要求不高的特點，剛好符合 GIF 圖的特性。
所以，老古董 GIF 圖有了新的應用場景。
學習交流：
- 即時通訊開發交流3群：185926912[推薦]
- 移動端IM開發入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發移動端IM》
（本文同步發布于：http://www.52im.net/thread-2032-1-1.html）
2、相關文章
《騰訊技術分享：社交網絡圖片的帶寬壓縮技術演進之路》
《QQ音樂團隊分享：Android中的圖片壓縮技術詳解（上篇）》
《QQ音樂團隊分享：Android中的圖片壓縮技術詳解（下篇）》
《騰訊原創分享(一)：如何大幅提升移動網絡下手機QQ的圖片傳輸速度和成功率》
《騰訊技術分享：騰訊是如何大幅降低帶寬和網絡流量的(圖片壓縮篇)》
《全面掌握移動端主流圖片格式的特點、性能、調優等》
《基于社交網絡的Yelp是如何實現海量用戶圖片的無損壓縮的？》
3、技術需求場景
新的應用場景帶來新的需求，本文所要探究的技術和要解決的問題來源于某個真實的業務場景下——即為用戶批量推送GIF表情包的功能需求。
一批圖像大約有200-500張，以縮略圖列表的形式展示在客戶端。
根據我們使用測試數據進行的統計 GIF 圖表情包的尺寸大部分在200k-500k之間，批量推送的一個重要問題就是數據量太大，因此，我們希望能夠在列表里展示體積較小的縮略圖，用戶點擊后，再單獨拉取原圖。
傳統的 GIF 縮略圖是靜態的，通常是提取第一幀，但在表情包的情形下，這種方式不足以表達出圖片中信息。
比如下面的例子：
（左為原始GIF動態圖，右為GIF的第一幀）
第一幀完全看不出重點啊！
所以，我們希望縮略圖也是動態的，并盡可能和原圖相似。
對于傳統圖片來說，文件大小一般和圖片分辨率（尺寸）正相關，所以，生成縮略圖最直觀的思路就是縮小尺寸，resize大法。
但是在 GIF 圖的場合，這個方式不再高效，因為 GIF 圖的文件大小還受到一個重要的因素制約——幀數
以這張柴犬表情為例，原圖寬度200，尺寸1.44M，等比縮放到150之后，尺寸還是1.37M，等比縮放到100，相當于尺寸變為原來的四分之一，體積還是749K。
可見，resize大法的壓縮率并不理想，收效甚微。
而且，我們所得到的大部分表情圖素材，分辨率已經很小了，為了保證客戶端展示效果，不能夠過度減少尺寸，不然圖片會變得模糊。
所以，想要對GIF圖進行壓縮，只能從別的方向入手。
4、GIF技術詳解：拆解GIF格式
4.1 基本
想要壓縮一個文件，首先要了解它是如何存儲的。畢竟，編程的事，萬變不離其宗嘛。
作為一種古老的格式，GIF的存儲規則也相對簡單，容易理解。
一個GIF文件主要由以下幾部分組成：
1）文件頭；
2）圖像幀信息；
3）注釋。
下面我們來分別探究每個部分。
4.2 文件頭
GIF格式文件頭和一般文件頭差別不大，也包含有：
1）格式聲明；
2）邏輯屏幕描述塊；
3）全局調色盤；
格式聲明：
Signature 為“GIF”3 個字符；Version 為“87a”或“89a”3 個字符。
邏輯屏幕描述塊：
前兩字節為像素單位的寬、高，用以標識圖片的視覺尺寸。
Packet里是調色盤信息，分別來看：
1）Global Color Table Flag為全局顏色表標志，即為1時表明全局顏色表有定義；
2）Color Resolution 代表顏色表中每種基色位長（需要+1），為111時，每個顏色用8bit表示，即我們熟悉的RGB表示法，一個顏色三字節；
3）Sort Flag 表示是否對顏色表里的顏色進行優先度排序，把常用的排在前面，這個主要是為了適應一些顏色解析度低的早期渲染器，現在已經很少使用了；
4）Global Color Table 表示顏色表的長度，計算規則是值+1作為2的冪，得到的數字就是顏色表的項數，取最大值111時，項數=256，也就是說GIF格式最多支持256色的位圖，再乘以Color Resolution算出的字節數，就是調色盤的總長度。
這四個字段一起定義了調色盤的信息。
Background color Index 定義了圖像透明區域的背景色在調色盤里的索引。
Pixel Aspect Ratio 定義了像素寬高比，一般為0。
什么是調色盤？我們先考慮最直觀的圖像存儲方式，一張分辨率M×N的圖像，本質是一張點陣，如果采用Web最常見的RGB三色方式存儲，每個顏色用8bit表示，那么一個點就可以由三個字節（3BYTE = 24bit）表達，比如0xFFFFFF可以表示一個白色像素點，0x000000表示一個黑色像素點。
如果我們采用最原始的存儲方式，把每個點的顏色值寫進文件，那么我們的圖像信息就要占據就是3×M×N字節，這是靜態圖的情況，如果一張GIF圖里有K幀，點陣信息就是3×M×N×K。
下面這張兔子snowball的表情有18幀，分辨率是200×196，如果用上述方式計算，文件尺寸至少要689K。
但實際文件尺寸只有192K，它一定經歷過什么……
我們可以使用命令行圖片處理工具gifsicle來看看它的信息：
gifsicle -I snowball.gif > snowball.txt
我們得到下面的文本：
5.gif 19 images
logical screen 200x196
global color table (128)
background 93
loop forever
extensions 1
+ image #0 200x196 transparent 93
disposal asis delay 0.04s
+ image #1 200x188 transparent 93
disposal asis delay 0.04s
........
可以看到，global color table 128就是它的調色盤，長度128。
為了確認，我們再用二進制查看器查看一下它的文件頭：
可以看到Packet里的字段的確符合我們的描述。
在實際情況中，GIF圖具有下面的特征：
1）一張圖像最多只會包含256個RGB值；
2）在一張連續動態GIF里，每一幀之間信息差異不大，顏色是被大量重復使用的。
在存儲時，我們用一個公共的索引表，把圖片中用到的顏色提取出來，組成一個調色盤，這樣，在存儲真正的圖片點陣時，只需要存儲每個點在調色盤里的索引值。
如果調色盤放在文件頭，作為所有幀公用的信息，就是公共（全局）調色盤，如果放在每一幀的幀信息中，就是局部調色盤。GIF格式允許兩種調色盤同時存在，在沒有局部調色盤的情況下，使用公共調色盤來渲染。
這樣，我們可以用調色盤里的索引來代表實際的顏色值。
一個256色的調色盤，24bit的顏色只需要用9bit就可以表達了。
調色盤還可以進一步減少，128色，64色，etc，相應的壓縮率就會越來越大……
還是以兔子為例，我們還可以嘗試指定它的調色盤大小，對它進行重壓縮：
gifsicle --colors=64 5.gif > 5-64.gif
gifsicle --colors=32 5.gif > 5-32.gif
gifsicle --colors=16 5.gif > 5-16.gif
gifsicle --colors=2 5.gif > 5-2.gif
......
依然使用gifsicle工具，colors參數就是調色盤的長度，得到的結果：
注意到了2的時候，圖像已經變成了黑白二值圖。
居然還能看出是個兔子……
所以我們得出結論——如果可以接受犧牲圖像的部分視覺效果，就可以通過減色來對圖像做進一步壓縮。
文件頭所包含的對我們有用的信息就是這些了，我們繼續往后看。
4.3 幀信息描述
幀信息描述就是每一幀的圖像信息和相關標志位，在逐項了解它之前，我們首先探究一下幀的存儲方式。
我們已經知道調色盤相關的定義，除了全局調色盤，每一幀可以擁有自己的局部調色盤，渲染順序更優先，它的定義方式和全局調色盤一致，只是作用范圍不同。
直觀地說，幀信息應該由一系列的點陣數據組成，點陣中存儲著一系列的顏色值。點陣數據本身的存儲也是可以進行壓縮的，GIF圖所采用的是LZW壓縮算法。
這樣的壓縮和圖像本身性質無關，是字節層面的，文本信息也可以采用（比如常見的gzip，就是LZW和哈夫曼樹的一個實現）。
基于表查詢的無損壓縮是如何進行的？基本思路是，對于原始數據，將每個第一次出現的串放在一個串表中，用索引來表示串，后續遇到同樣的串，簡化為索引來存儲（串表壓縮法）。
舉一個簡單的例子來說明LZW算法的核心思路。
有原始數據：ABCCAABCDDAACCDB
可以看出，原始數據里只包括4個字符A,B,C,D,四個字符可以用2bit的索引來表示，0-A,1-B,2-C,3-D。
原始字符串存在重復字符，比如AB，CC，都重復出現過。用4代表AB，5代表CC，上面的字符串可以替代表示為45A4CDDAA5DB
這樣就完成了壓縮，串長度從16縮減到12。對原始信息來說，LZW壓縮是無損的。
除了采用LZW之外，幀信息存儲過程中還采取了一些和圖像相關的優化手段，以減小文件的體積，直觀表述就是——公共區域排除、透明區域疊加
這是ImageMagick官方范例里的一張GIF圖：
根據直觀感受，這張圖片的每一幀應該是這樣的：
但實際上，進行過壓縮優化的圖片，每一幀是這樣的：
首先，對于各幀之間沒有變化的區域進行了排除，避免存儲重復的信息。
其次，對于需要存儲的區域做了透明化處理，只存儲有變化的像素，沒變化的像素只存儲一個透明值。
這樣的優化在表情包中也是很常見的，舉個栗子：
上面這個表情的文件大小是278KB，幀數是14
我們試著用工具將它逐幀拆開，這里使用另一個命令行圖像處理工具ImageMagick：
gm convert source.gif target_%d.gif
可以看出，除了第一幀之外，后面的幀都做了不同程度的處理，文件體積也比第一幀小。
這樣的壓縮處理也是無損的，帶來的壓縮比和原始圖像的具體情況有關，重復區域越多，壓縮效果越好，但相應地，也需要存儲一些額外的信息，來告訴引擎如何渲染。
具體包括：
幀數據長寬分辨率，相對整圖的偏移位置；
透明彩色索引——填充透明點所用的顏色；
Disposal Method——定義該幀對于上一幀的疊加方式；
Delay Time——定義該幀播放時的停留時間。
其中值得額外說明的是Disposal Method，它定義的是幀之間的疊加關系，給定一個幀序列，我們用怎樣的方式把它們渲染成起來。
詳細參數定義，可以參考該網站的范例：http://www.theimage.com/animation/pages/disposal.html
Disposal Method和透明顏色一起，定義了幀之間的疊加關系。在實際使用中，我們通常把第一幀當做基幀（background），其余幀向前一幀對齊的方式來渲染，這里不再贅述。
理解了上面的內容，我們再來看幀信息的具體定義，主要包括：
1）幀分隔符；
2）幀數據說明；
3）點陣數據（它存儲的不是顏色值，而是顏色索引）；
4）幀數據擴展(只有89a標準支持）。
1和3比較直觀，第二部分和第四部分則是一系列的標志位，定義了對于“幀”需要說明的內容。
幀數據說明：
除了上面說過的字段之外，還多了一個Interlace Flag，表示幀點陣的存儲方式，有兩種，順序和隔行交錯，為 1 時表示圖像數據是以隔行方式存放的。最初 GIF 標準設置此標志的目的是考慮到通信設備間傳輸速度不理想情況下，用這種方式存放和顯示圖像，就可以在圖像顯示完成之前看到這幅圖像的概貌，慢慢的變清晰，而不覺得顯示時間過長。
幀數據擴展是89a標準增加的，主要包括四個部分。
1）程序擴展結構（Application Extension）：主要定義了生成該gif的程序相關信息
2）注釋擴展結構（Comment Extension）：一般用來儲存圖片作者的簽名信息
3）圖形控制擴展結構（Graphic Control Extension）：這部分對圖片的渲染比較重要
除了前面說過的Dispose Method、Delay、Background Color之外，User Input用來定義是否接受用戶輸入后再播放下一幀，需要圖像解碼器對應api的配合，可以用來實現一些特殊的交互效果。
4）平滑文本擴展結構（Plain Text Control Extension）：
89a標準允許我們將圖片上的文字信息額外儲存在擴展區域里，但實際渲染時依賴解碼器的字體環境，所以實際情況中很少使用。
以上擴展塊都是可選的，只有Label置位的情況下，解碼器才會去渲染。
5、將技術理論付諸應用——給表情包減負
說完了基本原理，用剛才了解到的技術細節來分析一下我們的實際問題。
給大量表情包生成縮略圖，在不損耗原畫質的前提下，盡可能減少圖片體積，節省用戶流量。
之前說過，單純依靠resize大法不能滿足我們的要求，沒辦法，只能損耗畫質了。
主要有兩個思路：減少顏色和減少幀數：
1）減少顏色——圖片情況各異，標準難以控制，而且會造成縮略圖和原圖視覺差異比較明顯。
2）減少幀數——通過提取一些間隔幀，比如對于一張10幀的動畫，提取其中的提取1,3,5,7,9幀。來減少圖片的整體體積，似乎更可行。
先看一個成果，就拿文章開頭的圖做栗子吧：
看上去連貫性不如以前，但是差別不大，作為縮略圖的視覺效果可以接受，由于幀數減小，體積也可以得到明顯的優化。體積從428K縮到了140K。
但是，在開發初期，我們嘗試暴力間隔提取幀，把幀重新連接壓成新的GIF圖，這時，會得到這樣的圖片：
主要有兩個問題：
1）幀數過快；
2）能看到明顯的殘留噪點。
分析我們上面的原理，不難找到原因，正是因為大部分GIF存儲時采用了公共區域排除和透明區域疊加的優化，如果我們直接間隔抽幀，再拼起來，就破壞了原來的疊加規則，不該露出來的幀露出來了，所以才會產生噪點。
所以，我們首先要把原始信息恢復出來。
兩個命令行工具，gifsicle和ImageMagick都提供這樣的命令：
gm convert -coalesce source.gif target_%d.gif
gifsicle --unoptimize source.gif > target.gif
還原之后抽幀，重建新的GIF，就可以解決問題2了。
注意重建的時候，可以應用工具再進行對透明度和公共區域的優化壓縮。
至于問題1，也是因為我們沒有對幀延遲參數Delay Time做處理，直接取原幀的參數，幀數減少了，速度一定會加快。
所以，我們需要把抽去的連續幀的總延時加起來，作為新的延遲數據，這樣可以保持縮略圖和原圖頻率一致，看起來不會太過鬼畜，也不會太過遲緩。
提取出每一幀的delay信息，也可以通過工具提供的命令來提取：
gm identify -verbose source.gif
gifsicle -I source.gif
在實際應用中，抽幀的間隔gap是根據總幀數frame求出的：
frame<8 gap=1
frame>40 gap=5
delay值的計算還做了歸一化處理，如果新生成縮略圖的幀間隔平均值大于200ms，則統一加速到均值200ms，同時保持原有節奏，這樣可以避免極端情況下，縮略圖過于遲緩。
6、具體的代碼實踐
本文介紹的算法已經應用于手Q熱圖功能的后臺管理系統等，使用Nodejs編寫。ImageMagick是一個較為常用的圖像處理工具，除了gif還可以處理各類圖像文件，有node封裝的版本可以使用。gifsicle只有可執行版本，在服務器上重新編譯源碼后，采用spawn調起子進程的方式實現。
ImageMagick對于圖片信息的解析較為方便，可以直接得到結構化信息。gifsicle支持命令管道級聯，處理圖片速度較快。實際生產過程中，同時采用了兩個工具。
const {spawn} = require('child_process');
const image = gm("src2/"+file)
??image.identify((err, val) => {
????if(!val.Scene){
??????????console.log(file+" has err："+err)
??????????return
????}
????let frames_count = val.Scene[0].replace(/\d* of /, '') * 1
????let gap = countGap(frames_count)
?
????let delayList = [];
????let totaldelay = 0
????if(val.Delay!=undefined){
??????????let iii
??????????for(iii = 0; iii < val.Delay.length; iii ++) {
????????????delayList[iii] = val.Delay[iii].replace(/x\d*/, '') * 1
????????????totaldelay+=delayList[iii]
??????????}
??????????for(; iii < val.Scene.length; iii ++) {
????????????delayList[iii] = 8
????????????totaldelay+=delayList[iii]
??????????}
????}else{
??????????for(let iii = 0; iii < val.Scene.length; iii ++) {
????????????delayList[iii] = 8
????????????totaldelay+=delayList[iii]
??????????}
????}
????let totalFrame = parseInt(frames_count/gap)
????//判斷是否速度過慢，需要進行歸一加速處理
????if(totaldelay/totalFrame>20){
??????????let scale =(totalFrame*1.0*20)/totaldelay
??????????for(let iii = 0; iii < delayList.length; iii ++) {
????????????delayList[iii] = parseInt(delayList[iii] * scale)
??????????}
????}
?
????let params=[]
????params.push("--colors=255")
????params.push("--unoptimize")
????params.push("src2/"+file)
?
????let tempdelay = delayList[0]
????for(let iii = 1; iii < frames_count; iii ++) {
??????????if(i%gap==0){
????????????params.push("-d"+tempdelay)
????????????params.push("#"+(iii-gap))
????????????tempdelay=0
??????????}
??????tempdelay += delayList[iii]
????}
????params.push("--optimize=3")
????params.push("-o")
????params.push("src2/"+file+"gap-keepdelay.gif")
????spawn("gifsicle", params, { stdio: 'inherit'})
})
測試時，采用該算法隨機選擇50張gif圖進行壓縮，原尺寸15.5M被壓縮到6.0M，壓縮比38%，不過由于該算法的壓縮比率和具體圖片質量、幀數、圖像特征有關，測試數據僅供參考。
本文到這里就結束了，原來看似簡單的表情包，也有不少文章可做。
謝謝觀看，希望文中介紹的知識和研究方法對你有所啟發。
附錄：來自即時通訊大廠的分享
[1] QQ、微信團隊原創技術文章：
《微信朋友圈千億訪問量背后的技術挑戰和實踐總結》
《騰訊技術分享：騰訊是如何大幅降低帶寬和網絡流量的(圖片壓縮篇)》
《騰訊技術分享：騰訊是如何大幅降低帶寬和網絡流量的(音視頻技術篇)》
《微信團隊分享：微信移動端的全文檢索多音字問題解決方案》
《騰訊技術分享：Android版手機QQ的緩存監控與優化實踐》
《微信團隊分享：iOS版微信的高性能通用key-value組件技術實踐》
《微信團隊分享：iOS版微信是如何防止特殊字符導致的炸群、APP崩潰的？》
《騰訊技術分享：Android手Q的線程死鎖監控系統技術實踐》
《微信團隊原創分享：iOS版微信的內存監控系統技術實踐》
《讓互聯網更快：新一代QUIC協議在騰訊的技術實踐分享》
《iOS后臺喚醒實戰：微信收款到賬語音提醒技術總結》
《騰訊技術分享：社交網絡圖片的帶寬壓縮技術演進之路》
《微信團隊分享：視頻圖像的超分辨率技術原理和應用場景》
《微信團隊分享：微信每日億次實時音視頻聊天背后的技術解密》
《QQ音樂團隊分享：Android中的圖片壓縮技術詳解（上篇）》
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的腾讯技术分享：GIF动图技术详解及手机QQ动态表情压缩技术实践的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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