前段時間發布的小米10系列手機採用了一種新的圖片格式：HEIF，能夠在保持畫質不變的前提下縮減至少50%的文件體積。
HEIF格式照片的文件擴展名一般是.HEIC（也有其他的格式）。看到這個格式名，用iPhone的小夥伴一定很熟悉。
沒錯，蘋果在2017年iOS 11系統上就已經開始支持這種圖片格式，大家可以去翻翻IT之家的老文章（點此前往）。
Windows 10系統和安卓9系統在2018年也開始支持HEIF圖片格式。同年，三星Note9其實也已經支持.HEIC照片。
小米10發布前，雷軍曾表示，等HEIF普及後，估計JPEG和GIF就可以淘汰了。
汐元覺得，未來如果HEIF普及了，也許真的可以取代JPEG和GIF。
說到這裡，相信大家都很好奇，HEIF究竟是怎麼夠做到保證畫質不變而縮小文件體積的？
汐元翻了一下網上的資料，大多沒有明確針對這個問題進行說明。所以這篇文章打算聚焦這個問題來為大家介紹。
為什麼HEIF相比JPEG能夠在畫質不變的情況下將文件體積大幅縮小？
我們首先要明白JPEG的圖片格式具體是怎麼樣的。
所謂JPEG格式的圖片，其實說的是一種圖像壓縮的技術標準，使用這種標準壓縮出來的圖片，就叫「JPEG文件」。
JPEG文件後綴名包括JPG、JPEG、JPE、JFIF以及JIF。都是我們熟悉的。
那麼JPEG標準是怎麼壓縮圖片的呢？
我們知道，一張圖片放大後，就可以看到一個一個的像素點。
每個像素點，都包含了描述這個像素點顏色的一組數值，這個叫色彩空間，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標準採用的是一種叫做YCbCr的色彩空間。所以壓縮之前，要先進行色彩空間轉換。
YCbCr色彩空間中，中Y表示的是亮度，Cb代表藍色的彩度，Cr表示的是紅色的彩度。
換句話說，Y代表亮度，CbCr代表色彩。
轉換之後，每個像素背後變成了另一組數值。
因為人眼對亮度敏感，對色彩不那麼敏感，所以實際壓縮的時候，JPEG標準不會對亮度信息做太多改變，主要對色彩信息做壓縮。
壓縮有兩種，一種是有損壓縮，一種是無損壓縮。JPEG在壓縮時，兩種都會用，一般先進行有損壓縮，然後進行無損壓縮。
有損壓縮第一步是對Cb通道和Cr通道的色彩數據按照一定的比例進行取樣。這個過程就損失了一部分數據。
第二步，就是將一張圖片中的像素分成無數個8×8像素的方塊，每個方塊裡有64個像素，對應64組數據。
然後，將這64組數據進行一種叫離散餘弦變換（DCT）的數學處理，處理後，這64組數據就變成了數據更簡潔一些的係數矩陣。
至於這個離散餘弦變換怎麼搞，就不用了解了，懂高數的IT之家小夥伴可以自行去學習。
總之，在經過DCT變換後，64組像素數值變成了64個係數，這個過程又產生了數據損失。
接下來，對於這一組8×8的序數矩陣，還不能直接處理，要繼續進行一步叫「量化」的處理過程。
量化是怎麼進行的大家不用知道，只需要知道，量化的目的是適當減小矩陣內各個像素點之間的差別。因為人眼對小範圍內差別高的像素區域辨別能力不高，所以不如削減它們的差異。
經過量化處理後，8×8的序數矩陣變成了一組更加簡潔的數字矩陣，有大面積的0。
很顯然，這一步，又損失了一部分數據。
好，走到這一步，接下來就是無損壓縮了。
首先，我們把上一步量化後的8×8數字矩陣提取出來。提取的順序是這樣「Z」字型的。
提取出來後，得到64個數據。這64個數據中，第一個數字叫DC係數編碼，後面63個數字叫AC係數編碼。
我們要知道，一張圖片裡可以包含很多很多個8×8的小方塊，都進行上述處理後，就有很多很多個DC係數。
我們把這很多很多個DC係數抽出來，組成一個集體，然後對它們進行差分編碼和哈夫曼編碼。
至於其他的AC係數，我們對他們進行行程編碼。
這樣，JPEG標準的壓縮步驟基本就走完了。
這些步驟走完後，壓縮成的.JPG文件體積就會比原圖小很多，當然圖片質量也會有所損失。
但我們要說的還沒完。
上面三種無損壓縮編碼的操作過程大家不需要知道，但是他們的壓縮思想，大家是有必要知道的。
差分編碼，就是對於一串數字，除了第一個數字，其他數字都表示為它和前一個數字的差。例如100、101、103、104、107這串數據，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數據裡，用短字符表示出現頻率多的數字，用稍長的字符表示出現頻率少的數字。
假如有下面這句話：「IT之家網友在IT之家討論IT之家小編」，這句話裡「IT之家」幾個字反覆出現，那我們就用「1」來表示「IT之家」，然後這句話就成了「1網友在1討論1小編」，這樣是不是就被壓縮了？
注意，上面這個例子並不嚴謹，只是為了方便大家理解哈夫曼編碼的思想，實際操作很複雜的，要考慮概率、做二叉樹等步驟的。如果有IT之家小夥伴感興趣可自行學習。
行程編碼，這就很簡單了，直接用例子說明。假如有一串字符「aaabbbccccdddddd」，它包括3個a，3個b，4個c，6個d，所以就把它編碼為「3a3b4c6d」。
很明顯，要想讓這些無損編碼最大限度發揮壓縮作用，需要保證數據有一定特性，例如大面積相同的字符、有很多出現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麼前面要大費周章做那麼多有損的處理了，一部分原因就是為了得到適合進行無損壓縮的數據。
通常情況下，一張圖片裡面，其實是有很多相同或相近的像素點的，這意味著它們背後的數據有很大可以壓縮的空間。
JPEG目的就是要幹這個事兒的，這麼說相信大家能理解。
說了那麼多JPEG，那HEIF呢？
別急，當我們掌握了JPEG圖像壓縮的方法，對於HEIF是怎樣進一步壓縮圖片體積的，就好理解多了。
其實HEIF做的工作和JPEG差不多，大體路徑是相似的，但在一些一些細節上有改進。
我們需要先做一個簡單的說明。其實所謂的HEIF，是圖片的封裝格式，它主要採用的是一種叫HEVC的編碼方式。
打個比方，一張圖片的信息，它們其實是經過HEVC的編碼方式進行編碼，然後將編碼後的信息用一個盒子（容器）裝起來，這個盒子就叫HEIF。
HEIF是把盒子和編碼方式分開了，而JPEG沒有。
HEIF的這種操作方式和很多視頻格式很像，我們經常看到的MP4、MKV、AVI等視頻格式，其實都是盒子的名字，盒子裡面是編碼的方式，例如MPEG-4、H.264、H.265等。
影音軟體播放視頻文件的時候，都是先把盒子打開，然後再解碼裡面的編碼文件。
上面提到的H.265還有一個名字，就叫HEVC，沒錯，也就是HEIF格式主要採用的編碼方式，所以說這個圖片格式其實採用的也是視頻的編碼的方式。
除了HEVC，HEIF格式也可能採用其他的編碼方式，但很少見。它的編碼方式和對應的後綴名如下：
我們看到，小米10和iPhone用的都是HEVC的編碼方式，後綴名都是.HEIC。
所以問題就變成了，HEVC的編碼方式是怎麼將體積縮小的呢？
其實主要有兩點。
首先，根據上文的介紹，JPEG是將圖片劃分成很多8×8的像素塊來進行壓縮編碼的。
而在HEVC編碼方式中，這個像素塊的劃分方式更靈活，最大可以允許以64×64來劃分，然後在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，這叫做四叉樹單元劃分。
這麼做有什麼好處呢？答案就是，在面對一張圖片的時候，如果是信息量比較平緩的區域，我們可以用比較大的像素塊來劃分，如果是信息量比較密集的區域，就可以用比較小的像素塊來劃分。
這種根據實際情況來劃分的編碼單元，可以很大程度提高編碼效率。特別是針對4K等高解析度、像素量大的照片，優勢更明顯。
HEIF照片的文件體積能夠縮小，大部分要歸結於此。
其次是第二點。前面介紹JPEG時我們講了它使用的幾種無損編碼方式，分別是差分編碼、哈夫曼編碼和行程編碼。
這其中從編碼之後的數據量來說，其實最主要的是哈夫曼編碼，它是可以改進的。
在HEIF標準中，這種無損編碼方式主要採用了自適應的二進位算術編碼（下面簡稱「算術編碼」）。
其實，隨著JPEG跟隨時代的發展，算術編碼也被引入到了JPEG的編碼方式中，但是主要還是哈夫曼編碼。
算術編碼相比哈夫曼編碼，可以進一步提高編碼效率。
其實算術編碼的思想原理和哈夫曼編碼是差不多的，都是考慮數據中不同字符出現的概率，然後給不同字符以不同的編碼。
算術編碼具體的數學化思想很濃，難以三言兩語講清楚，這裡也不方便展開說了。總之，算術編碼最後得到的是一個很簡潔，但是很長的小數。
正是因為數學的思想很深刻，算術編碼的編碼效率要比哈夫曼編碼更高，最後呈現在大家面前的，就是對於同一張照片可以壓縮成更小的體積。
以上，基本上就是HEIF能夠在保證畫質不變的前提下縮小圖片體積的原因了。
最後，關於HEIF，還有一些比較基礎的知識，大家可以比較輕鬆地了解到。IT之家之前也轉了小米官方對HEIF格式介紹的文章。
HEIF的全名是高效率圖像格式（High Efficiency Image Format），是運動圖像專家組（MPEG）在2013年推出的。它和前面的JPEG不是一個組織。
值得一提的是，HEIF的相關技術是諾基亞的技術人員制定的，在2015年基本定型，現在也是諾基亞在維護（HEIF官網：點此前往）。
有意思的是，HEIF的關鍵編碼技術HEVC，華為正是主要推動者之一，手握大量專利，還在今年1月加入了HEVC Advance專利池。
當然啦，小米10憑藉自身的話題性，對HEIF圖片格式的進一步普及確實也起到了推動作用。
無論如何，汐元還是期待HEIF圖片格式能夠克服困難，儘快普及，畢竟現在智慧型手機攝像頭像素已經能達到億級了，JPG格式下手機的存儲空間確實吃緊。
畢竟，總不能只因為要存照片就非得買更大存儲空間的手機吧。
參考
中國大學MOOC-長江大學公開課，2019-08-05，《靜態圖像壓縮技術：JPEG編碼（視頻）》。中國大學MOOC-長江大學公開課，2019-08-05，《靜態圖像壓縮技術：Huffman編碼》。金山視頻雲，2017-11-14，《HEIF格式解析》。CSDN-打怪升級ing，2018-11-29，《H.264和H.265（HEVC）深度解析及對比》。