濃縮的精華！從零開始帶你認識最新的圖片格式WEBP

簡體傳統

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　　編者按：今年有個不太引人注意但實用性很強的技術，谷歌推出的圖片格式WebP。比起JPEG、PNG 和 GIF ，它能在保證圖片精細度的同時縮小圖片體積，現在已經是Facebook、Google等公司的座上賓，今天騰訊的同學研究后總結了一篇深度技術文，不落人后，來學習吧。

　　前言

　　不管是 PC 還是移動端，圖片一直是流量大頭，以蘋果公司 Retina 產品為代表的高 PPI 屏對圖片的質量提出了更高的要求，如何保證在圖片的精細度不降低的前提下縮小圖片體積，成為了一個有價值且值得探索的事情。

　　但如今對于 JPEG、PNG 和 GIF 這些圖片格式的優化幾乎已經達到了極致，若想改變現狀開辟新局面，便要有釜底抽薪的膽量和氣魄，而 Google 給了我們一個新選擇：WebP。

　　對 WebP 的研究緣起于手機 QQ 原創表情商城，由于表情包體積較大，在 2G/3G 的網絡環境下加載較慢。同事小貝恰好因為 2013 Google I/O Event 了解到了 WebP，于是我們便一起開始了沒羞沒躁的技術預研，期待在原創表情圖片的質量與體積之間尋找最美的平衡。

　　今年 WebP 圖片格式得到越來越多的關注，很多團隊也開始布道，前陣子的前端圈“走進騰訊互娛前端技術專場”也有相關專題。借此熱潮，在這里把上一年的探索過程以及今年 WebP 新的發展一同分享出來，同時也期待更多的人將其應用于實際業務中。

　　什么是 WebP?

　　WebP(發音 weppy)，是一種支持有損壓縮和無損壓縮的圖片文件格式，派生自圖像編碼格式 VP8。根據 Google 的測試，無損壓縮后的 WebP 比 PNG 文件少了 45% 的文件大小，即使這些 PNG 文件經過其他壓縮工具壓縮之后，WebP 還是可以減少 28% 的文件大小。

　　2010 年發布的 WebP 已經不算是新鮮事物了，在 Google 的明星產品如 Youtube、Gmail、Google Play 中都可以看到 WebP 的身影，而 Chrome 網上商店甚至已完全使用了 WebP。國外公司如 Facebook、ebay 和國內公司如騰訊、淘寶、美團等也早已嘗鮮。目前 WebP 也在我廠很多的項目中得到應用，如騰訊新聞客戶端、騰訊網、QQ空間等，同時也有一些針對 WebP 的圖片格式轉換工具，如智圖(http://zhitu.tencent.com)，iSparta(http://isparta.github.io/)等。

　　(Google 已和正在部署的 WebP 的產品)

　　可喜的是，直到今年，Google 對 WebP 依舊投入了持續的熱情，2014 年的 Google I/O Event 中也出現了兩個介紹 WebP 應用的視頻(https://www.google.com)。WebP 已大量應用于全球流量消耗最多的 Google 產品中，你還有理由拒絕它嗎?

　　WebP 的優勢

　　上面只是簡單介紹了這種圖片格式的背景和應用，不過 “talk is cheap”，這種格式優勢在哪里?除了壓縮效果極好，圖片質量能否得到保障?這需要更理性客觀的數據：

　　這里列舉一個簡單的測試：對比 PNG 原圖、PNG 無損壓縮、PNG 轉 WebP(無損)、PNG 轉 WebP(有損)的壓縮效果。更多測試查看 https://isparta.github.io (請用 Chrome 瀏覽器打開)

　　可以得出結論：

　　PNG 轉 WebP 的壓縮率要高于 PNG 原圖壓縮率，同樣支持有損與無損壓縮

　　轉換后的 WebP 體積大幅減少，圖片質量也得到保障(同時肉眼幾乎無法看出差異)

　　轉換后的 WebP 支持 Alpha 透明和 24-bit 顏色數，不存在 PNG8 色彩不夠豐富和在瀏覽器中可能會出現毛邊的問題

　　WebP 的優勢體現在它具有更優的圖像數據壓縮算法，能帶來更小的圖片體積，而且擁有肉眼識別無差異的圖像質量;同時具備了無損和有損的壓縮模式、Alpha 透明以及動畫的特性，在 JPEG 和 PNG 上的轉化效果都非常優秀、穩定和統一。

　　科技博客 GigaOM 曾報道：YouTube 的視頻略縮圖采用 WebP 格式后，網頁加載速度提升了 10%;谷歌的 Chrome 網上應用商店采用 WebP 格式圖片后，每天可以節省幾 TB 的帶寬，頁面平均加載時間大約減少 1/3;Google+ 移動應用采用 WebP 圖片格式后，每天節省了 50TB 數據存儲空間。

　　兼容性與可用性

　　現在問題來了：WebP 的支持度和兼容性如何?

　　根據對目前國內瀏覽器占比與 WebP 的兼容性分析，大約有 50% 以上的國內用戶可以直接體驗到 WebP，如果你的網站以圖片為主，或者你的產品基于 Chromium 內核，建議體驗嘗試。假如你打算在 App 中使用 WebP，除了 Android4.0 以上提供的原生支持外，其他版本以及 iOS 都可以直接使用官方提供的解析庫(Android 、iOS )。

　　為了驗證 WebP 圖片格式的業務可行性，我們從流暢度、解碼耗時、CPU 使用、內存占用幾個維度進行的分析，在開發同學們的幫助下得到了非常寶貴的測試數據：

　　測試一：

　　AndroidQQ 下 PNG 和 WebP 各指標對比。

　　測試環境：AndroidQQ、Galaxy Nexus、Android4.2.2 系統

　　測試對象：WebP、PNG

　　測試數據(部分)：

　　測試結論：

　　解碼耗時：WebP 的解碼時間是 PNG 格式的 4.4 倍(24.8ms)

　　流暢程度：兩種格式下，AIO 滑動流暢度無明顯差異

　　CPU使用：兩種格式下，連續發送 15 個表情，CPU 使用均在 10%—26% 之間波動，兩者無明顯差異

　　內存占用：兩者格式下，連續發送 15 個表情，PSS 內存占用跨度均為 11M，無明顯差異

　　測試二：

　　iPhoneQQ 下 PNG 和 WebP 各指標對比。

　　測試環境：iPhoneQQ、iPhone4、iOS5.1.1 系統

　　測試對象：WebP、PNG

　　測試數據(部分)：

　　測試結論：

　　解碼耗時：WebP 的解碼時間是 PNG 的 5 倍左右(64.1ms)

　　流暢程度：WebP 的 FPS 平均值會比 PNG 的平均值要小，但是比較穩定，跨度不大，性能也相差不大

　　CPU使用：總體上看，PNG 格式的表情使用 CPU 波動比較大。從平均值來看 WebP 格式表情占用的 CPU 會比 PNG 表情的占用率大

　　內存占用：WebP 格式表情，占用內存的跨度為 4M，波動比較明顯。PNG 格式表情，占用內存的跨度為 5M，沒有明顯波動。停止發送表情后，40s 左右內存均有回降

　　可見除了 WebP 在解碼時間與 PNG 有較明顯差異(毫秒級別)之外，總體使用體驗和 PNG 基本無差異。同時也需要明確，移動設備的發展迅猛，硬件升級快，上一年的表現也許在今年又有了明顯的提升。所以，在 App 中使用 WebP 基本沒有技術阻礙。

　　對原創表情商城的技術指導

　　在驗證了業務可行性之后，WebP 又激發了我們對另外一些方向的思考：既然它表現如此優秀，能否進一步摸清其“秉性”，得到一些能在未來使用中遵循的指導方案?

　　于是，為了更深入了解 WebP 特性，我們針對原創表情項目 “不同的表情圖片，如何獲得 WebP 的最佳壓縮效率” 問題繼續展開探究，主要從圖片規格、色彩數(顏色數量)、參數配置幾個維度進行：

　　探索一：圖片規格

　　通過閱讀文獻了解到 WebP 使用的是 Fancy 采樣算法，既然是采樣算法必然有采樣區塊，而 JPEG 的采樣區塊是 8*8，對于原始圖片的長寬不是 8 的倍數，都需要先補成 8 的倍數，使其能一塊塊的處理，所以對于 8 的整數倍的圖片，壓縮會更高效。

　　那么 WebP 的采樣區塊會是多少?我們在其他因素保持不變的前提下改變圖片規格，選取了 200*200 附近多個規格值，得到了一些數據。將數據可視化之后可以看到凡是以 16*16 倍數(160*160、176*176、192*192、256*256)為規格的圖片，有損壓縮的比例都明顯大于以 4*4 或 8*8 的倍數為規格的圖片。

　　結論：

　　原創表情可以考慮使用 “16n*16n” 的規格。目前原創表情選擇的是 200*200 的規格大小，實際上選擇 256*256 或者 192*192 能獲得更高的 WebP 壓縮效率，量級在千分之幾。

　　探索二：色彩數

　　在 JPEG 和 PNG 格式的選擇經驗上可以知道，對于色彩復雜的圖片，一般使用 JPEG 格式，而對于色彩單一的圖片，使用 PNG 格式。可見色彩數會影響圖片的壓縮效果。于是我們通過 Photoshop 中的色階分離功能調整表情圖片的色彩數，在其他因素保持不變的前提下對比不同色彩數對于 WebP 有損無損壓縮的影響。

　　可見，在色彩數相對較少的前提下，無損壓縮的效果要優于有損壓縮;而色彩數很多時，有損壓縮效果要優于無損壓縮，這個分界點在 256±100 之間。

　　結論：

　　建議原創表情盡量控制顏色數在 256 色以內，采用無損壓縮性價比最高。

　　小于 256 色：以圖標，圖形，剪貼畫為代表，最適合采用 WebP 無損壓縮，精細度完美，體積大幅減少;

　　大于 256 色：以多數表情圖，廣告圖為代表，最適合采用 WebP 有損壓縮，選擇較高壓縮比(建議壓縮質量為 100% ~ 75%)

　　遠大于 256 色：以風景照，視頻截圖為代表，最適合采用 WebP 有損壓縮，選擇適中壓縮比(建議壓縮質量為 75% 以下)

　　探索三：色溫、漸變與雜色、直線與直線、描邊

　　隨后又從色溫、漸變與雜色、直線曲線、是否需要描邊上進行了分析，最后的結論即：

　　色溫并不會影響表情圖片的壓縮效果，可大膽用色

　　漸變與雜色理論上都是增加色彩數，它的壓縮規律從符合第二條，但建議表情圖片少用漸變雜色和不必要的線條

　　直線與曲線理論上也是增加了色彩數(因為曲線邊緣會存在漸變)，建議如果表情中可以“直”的地方就不要“彎”

　　WebP 格式的圖片不會存在毛邊問題，所以不需要為表情圖片添加描邊

　　探索四：壓縮配置

　　為了得到無損壓縮和有損壓縮的最佳壓縮配置，我們通過對 900 張表情圖片進行不同壓縮配置的測試(大部分表情圖片的色彩數都在 256 色以上)，得到下面的數據：

　　壓縮參數說明：

　　-lossless：無損壓縮

　　-q：壓縮質量，值越大越圖片質量越好

　　-m：壓縮方式，值越大則圖片質量越好，體積越小，但是耗時較長

　　可以發現，無損壓縮表現很穩定，壓縮質量越高，壓縮效果也越好。而有損壓縮在壓縮質量設置為 75 以上之后，壓縮效果反而減弱，甚至壓縮后的圖片體積會大于壓縮前的體積。所以得出以下結論：

　　選擇無損壓縮時，“-lossless -q 100” 是最佳方案

　　選擇有損壓縮時，“-q 75”是最佳方案(圖片質量與體積大小達到均衡)

　　無論何種壓縮參數，加上“-m 6”都能使得輸出的 WebP 圖片進一步減少體積，量級是1%~2%，但是會增加耗時

　　最終，得出了一個正反面案例，從技術角度分析不同的表情圖標的優劣(強調一下是“技術角度”，這里列舉的表情都很贊 ^_^)。

　　動態 WebP 初探

　　了解完靜態 WebP，下面再了解一下動態 WebP(Animated WebP)：2013 年 11 月 21 日，Animated WebP 終于取得進展，并在 Chrome32 Beta 中得到了支持。目前 Animated WebP 支持將 GIF 直接轉換成 Animated WebP，或者將多張 WebP 圖片組合成 Animated WebP。與傳統的 GIF 圖比較，Animated WebP 的優勢在于：

　　支持有損和無損壓縮，并且可以合并有損和無損圖片幀

　　體積更小，GIF 轉成有損 Animated WebP 后可以減小 64% 的體積，轉成無損可以節省 19% 的體積

　　顏色更豐富，支持 24-bit 的 RGB 顏色以及 8-bit 的 Alpha 透明通道(而 GIF 只支持 8-bit RGB 顏色以及 1-bit 的透明)

　　添加了關鍵幀、metadata 等數據

　　假如你在使用 Chrome32 以上的瀏覽器，可以點這里(https://isparta.github.io)體驗。