音视频编解码—GIF介绍

GIF(Graphics Interchange Format) 一种主要用于动画和图形图像的图像格式。与 JPEG 格式类似，GIF 也是一种光栅图像格式。它本质上是一个位图图像文件。它基本上是位图或空间映射的位数组。位图图像文件使用以某种方式排列的不同颜色像素来显示图像。

1 发展历程

GIF 格式当时由CompuServe公司开发出来作为一种网络上的图像格式。以下是GIF格式的主要发展历程：

最初的GIF格式 (1987年): 最初的GIF格式是一种无压缩的图像格式，用于在计算机和网络之间交换图像。该格式仅支持最多256种颜色，并且不能支持透明度和动画。

GIF 87a格式 (1989年): 1989年，CompuServe发布了GIF 87a格式，支持帧动画和图像透明度。该格式还支持LZW压缩算法，可以将文件大小减小到原始大小的70%。

GIF 89a格式 (1990年): 1990年，GIF 89a格式被引入，使得GIF格式可以支持更多的颜色。它还引入了图像间隔、循环次数和文本扩展等新特性。

Unisys专利 (1994年): 1994年，Unisys公司获得了与LZW压缩算法相关的专利，这导致其他公司需要为使用GIF格式而支付许可费用。这导致了一些争议，因为许多人认为GIF应该是一种开放的格式。

PNG格式 (1996年): 1996年，PNG (Portable Network Graphics) 格式被开发出来，以取代GIF格式。PNG支持更多的颜色和透明度，而且没有专利限制，因此逐渐取代了GIF格式的使用。

GIF格式复兴 (2010年): 2010年，GIF格式经历了一次复兴，成为社交媒体上广受欢迎的图像和动画格式。这主要是由于社交媒体平台，如Tumblr和Twitter，开始支持GIF格式的自动播放。

2 JPEG VS GIF

3 gif特点

GIF格式的图像文件具有如下特点：文件结构，具有Gif87a和gif89a两个版本；采用lzw无损压缩算法；调色板数据有通用调色板和局部调色板之分，最多存储256色

3.1 文件结构

从概念上讲，GIF 文件描述了一个固定大小的图形区域（“逻辑屏幕”），其中填充了零个或多个“图像”

如下博文有比较详实的介绍，大家可以参考一下，自己整理了一个脑图，方便自己的理解：

https://www.cnblogs.com/think/archive/2006/04/12/372942.html

gif87a和gif89a对应的原文可以参考如下链接：

https://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif87.txt

https://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif89a.txt

3.2 lzw算法

LZW压缩算法是一种在文本数据中实现无损压缩的算法。它的核心原理是利用已经出现过的字符序列进行编码，来替代相同的字符序列，在达到更高效的压缩结果的同时不会丢失原有信息。

https://courses.cs.duke.edu/spring03/cps296.5/papers/ziv_lempel_1978_variable-rate.pdf

算法流程大致如下：

第一步：将所有可能出现的字符构建成一个字典，通过将每个字符映射为唯一的数值进行编码。

第二股：遍历要被压缩的文本数据，将出现过的字符逐个组合成一个字符串，并检查这个字符串是否已经出现在字典中。

如果此前没有出现过，就将其添加到字典中并输出当前字符的编码。

如果已经存在，就继续往后读取字符，形成更长的字符串并继续检查直到找到不存在的字符串，然后将其加入到字典中，并输出之前最长匹配的字符串的编码。这样可以将较长重复出现的字符串转换为较短的编码，从而达到压缩数据的效果。


function compress(uncompressed):
    dictionary = { }
    for i from 0 to 255:
        dictionary[i] = i
    current = ''
    result = []
    for c in uncompressed:
        if current + c in dictionary:
            current = current + c
        else:
            result.append(dictionary[current])
            dictionary[current + c] = len(dictionary)
            current = c
    if current != '':
        result.append(dictionary[current])
    return result

压缩过程中，先初始化字典为包含ASCII码表中所有字符，遍历未压缩的数据流，查找当前字符与已有字典是否匹配，如果匹配就将当前字符作为前缀继续查找下一个字符，如果不匹配就将当前前缀在字典中的编码输出，并将当前前缀加上下一个字符添加进字典，然后重置前缀为下一个字符。最后将剩余的前缀编码输出。


function decompress(compressed):
    dictionary = { }
    for i from 0 to 255:
        dictionary[i] = i
    old = compressed[0]
    result = [old]
    current_sequence = ''
    for code in compressed[1:]:
        if code in dictionary:
            sequence = dictionary[code]
        elif code == len(dictionary):
            sequence = old + old[0]
        else:
            raise ValueError('Bad compressed code: %s' % code)
        current_sequence = old + sequence[0]
        result.append(sequence)
        dictionary[len(dictionary)] = old + sequence[0]
        old = sequence
    return "".join(result)

解压缩过程是对于经过 LZW 压缩的编码序列，先按照压缩算法初始化字典，首先读入第一个字符，作为解压的第一个字符，然后依次读入编码序列中的编码，如果编码在字典中则直接将其转换成字符，否则根据该编码对应的前缀在字典中解压缩，然后将前缀加上解压缩的结果的第一个字符添加进字典，最后更新前缀为该编码对应的字符串。

由于LZW算法需要预先建立字典，因此先前建立字典的方法对压缩率也产生了影响，但相对于其简单的操作步骤和良好的压缩效果，LZW算法已经成为了一种常见的文本数据压缩算法。

lzw视频教学：

https://www.bilibili.com/video/BV1ds411W7sX/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=163a3a57e22bc77006538724777dd866

3.3 调色板

调色板中的颜色定义可以从数百万色调的颜色空间中提取（2 ²⁴色调，每个原色 8 位），但一帧最多可以使用 256 种颜色。

GIF图像格式采用调色板技术，根据设定的颜色表中的索引值来表达图像的颜色信息。具体来说，它通过减少颜色数量来实现数据的压缩，从而降低存储和传输文件的大小，达到以较小的确定性换取较高的压缩效率。在开发 GIF 时，受到当时整体大环境的限制，这种规范似乎是合理的，毕竟很少有人能负担得起同时显示更多颜色的硬件。所以简单的图形、线条图、卡通和灰度照片通常需要少于 256 种颜色。同时辅助lzw的无损压缩，可以实现较好的灰度图像的压缩和成像效果。

gif调色板有两种，全局调色板和局部调色板：

全局调色板(Global Color Table)

一个GIF图像只包含一个全局调色板。它被存储在GIF文件的文件头中，用于定义该图像中可用的所有颜色。全局调色板最多包含256种颜色，Indexed色彩模型采用24位调色板，共能够表示16,777,216色中的256个。

局部调色板(Local Color Table)

如果GIF图像包含多帧动画，则每一帧可以使用自己的局部调色板。局部调色板只在当前帧使用，并在图像解码完成后立即销毁。使用局部调色板的好处是可以将颜色金额控制到最小，以便在某些情况下提高像素密度，同时存储空间得到有效利用。

4 gif的工具

4.1 ScreenToGif

ScreenToGif 是一个免费开源的轻量级工具，它可以用于创建屏幕捕获、录制 Gif 动画。

易于使用：界面风格简洁，所有功能都在同一个用户界面内。可以轻松地捕捉屏幕动画并将其转换成GIF文件。

支持多种导出格式: 除了GIF格式，还支持 MP4, WebM 等常见格式。

高度定制化: 可以根据需要更改颜色、字体和录制参数来自定义您想要的GIF图像。

https://www.screentogif.com/

4.1 GIF Brewery

GIF Brewery是一款Mac上的应用程序，可轻松制作高质量、专业级的 GIF 动画图像。它提供了直观、易于使用的用户界面、多达数十秒甚至数分钟的录屏时间、以及强大的编辑功能。可以添加更改大小、重命名文件和非常完善的编辑和调整选项。此外，GIF Brewery 还支持在 GIF 中分割合成视频，保存格式包括 WebM 和 h.264 等，并支持调整噪音、色彩饱和度、亮度和对比度等细节。最重要的是，GIF Brewery 没有任何广告，并且还带有预设快捷键，为 Mac 用户提供方便的操作体验。

https://gfycat.com/gifbrewery

https://sspai.com/post/31706

作者：MediaStack一枚爱跑步的程序员，音视频开发工程师，知乎专栏和公众号同名《MediaStack》，热衷分享Android音视频相关内容，一起交流学习音视频开发、职场。