Android包大小优化之无Alpha通道PNG转JPG的探索

apk的大小与推广成本、转化率有着密不可分的关系，所以对包大小的优化，应做到谓锱铢必较，特别像抖音这样上亿DAU的应用，追求到极极极极极致都不为过。除了常见的APK瘦身方式，还有哪些方式呢？本文是对其中一个想法的探索过程。

1.问题引入

• PNG图片支持alpha通道，JPG不支持alpha通道，所以PNG图片的位深可能会比JEG的位深大；
• PNG格式采用的是无损数据压缩算法，JPG采用的压缩比更好的有损数据压缩算法，在有鲜艳明亮的色彩和纹理的图像中，JPG通常比PNG具有更高的压缩比；
• 综上猜测，如果把无alpha通道的PNG（甚至是有alpha通道但是无透明度的PNG）转变为JPG格式，是否可以使得图片的体积变小，于是有了本文的探索过程。

2.Java相关的 API

Java已经提供了很多API，如BufferedImage、ColorModel、IIOImage、ImageIO、ImageWriter、JPEGImageWriteParam，来帮助进行图像处理。

2.1 BufferedImage

• BufferedImage是Image的一个子类，Image和BufferedImage的主要作用就是将一副图片加载到内存中。BufferedImage生成的图片在内存里有一个图像缓冲区，利用这个缓冲区我们可以很方便的操作这个图片，通常用来做图片修改操作如大小变换、图片变灰、设置图片透明或不透明等。
• Java将一副图片加载到内存中的方法是:

BufferedImage bufferedImage = ImageIO.read(new FileInputStream(filePath));

• 通过BufferedImage得到内存中一张图片到数据实体后，便可以通过它获得图片基本信息，如长、宽、每个像素的值等

BufferedImage image = ImageIO.read(new FileInputStream(file)); //获取位图
image.getHeight();//图像的高
image.getWidth();//图像的宽
//获取图像某一像素的值，返回的int型数据（32位）为ARGB格式，其中ARGB各占8bit
int pixel = image.getRGB(x,y);
//返回图像的类型，如TYPE_INT_RGB、TYPE_INT_ARGB，如果是未知的类型，会返回TYPE_CUSTOM
int type = image.getType(); 

• API文档：BufferedImage

2.2 ColorModel

• ColorModel抽象类封装了一系列把像素值转换为色彩分量（R、G、B）和透明度分量（alpha）的方法。

BufferedImage sourceImg = ImageIO.read(new FileInputStream(file));
//通过BufferedImage获得其ColorModel
ColorModel color = sourceImg.getColorModel();
//获得每像素的大小，也即图片的位深度
color.getPixelSize();
//返回一个32位像素值的透明通道分量的值，同理，可获得像素值其他分量的值
color.getAlpha(int pixel)；

• API文档：ColorModel

2.3 ImageIO

• ImageIO是一个辅助类，提供了一系列的静态方法，可以来获取已经注册了的 ImageReader和 ImageWriter的对对象，以及执行简单编码和解码。

//getImageWritersByFormatName方法返回是所有能够对指定格式进行编码的ImageWriter的迭代器（Iterator）,此行代码获取了一个能够对jpg格式编码的ImageWriter
ImageWriter jpgWriter = ImageIO.getImageWritersByFormatName("jpg").next();
//将一个BufferedImage对象以jpg形式写入jpgFile中，用它可以进行简单的图像格式转换
ImageIO.write(newBufferedImage,"jpg",jpgFile);

• API文档：ImageIO

2.4 IIOImage

• IIOImage是一个简单的容器类，它聚合了一张图像的图像数据（RenderedImage）、一系列的缩略图以及与图像关联的其他元数据（IIOMetadata，非图像信息）。
• 构造方法：创建的时候，需要把相关的参数进行注入：
  • RenderedImage image：代表图像的图像信息，RenderedImage是个接口，需要传入其实现类。BufferedImage实现了RenderedImage接口，其对象可作为参数传入。
  • List thumbnails：图像的缩略图信息，可为null
  • IIOMetadata metadata：与图像相关联的其他非图像数据的元数据，可为null

IIOImage(RenderedImaeg image, List thumbnails, IIOMetadata metadata);
//如下，就得到了一个与Buffered所关联的IIOImage对象
IIOImage iioImage = new IIOImage(bufferedImage,null,null);

• API文档：IIOImage

2.5 JPEGImageWriteParam

• JPEGImageWriteParam是图像写入文件时的一个参数类，可以通过它设置图像的压缩质量等参数。

//初始化，参数Local代表图像的地理、政治、文化等信息，可为空
JPEGImageWriteParam jpegParams = new JPEGImageWriteParam(null);
//如果支持压缩，必须设置压缩模式，MODE_EXPLICIT模式表示会使用此mageWriteParam中指定的压缩类型和质量设置进行压缩。所有之前设置的compression参数都将被丢弃。
jpegParams.setCompressionMode(ImageWriteParam.MODE_EXPLICIT);
//设置压缩质量，取值范围0.0f~1.0f,1.0f代表质量最好；默认0.75f，表示视觉无损
jpegParams.setCompressionQuality(1.0f);

• API文档：JPEGImageWriteParam

2.6 ImageWriter

• ImageWriter是用来编码和写入图像的抽象超类。我们进行图片格式转换的时候，主要就是通过它的子类进行写入的。上边介绍类那么多API，其实就是要给它转换图片来用的。
• 重点关注它的setOutput方法和一系列的write方法：

//设置输出路径，这里虽然传入的是Object对象，但是一般应该传入以下两种对象：
// 1. FileImageOutputStream,用于写入文件
// 2. MemoryCacheImageOutputStream,用于写入内存中
void setOutput(Object output);
//把IIOImage对象关联的对象直接作为输入，写入到输出对象
void write(IIOImage image);
//同上，写入的时候加上元数据、写入参数，我们就应该调用它来完成格式转换
void write(IIOMetadata metadata, IIOImage image, ImageWriteParam param);
//同上，只是输入的对象是RenderedImage的实现类对象
void write(RenderedImage image);

• API文档：ImageWriter

3.探索过程

我们可以hook Android编译过程，拿到所有的资源文件。由于本文是探索的过程，还未集成到项目里，所以探索的demo是拿的apk包反编译出来的。而且打包过程中已经禁止了AAPT采用内置的压缩算法对图片资源的优化，所以反编译出来的图片资源跟打包前应该是一致的：

aaptOptions {
    cruncherEnabled = false
}

3.1 获取需要处理的PNG图片

3.1.1 根据位深

• 由于常见的图片色彩模式中，只有ARGB是包含透明通道的，所以可以获取图片的位深，也即是每像素的大小，根据其大小来获取是否包含透明通道。

它只适用于不经过压缩处理的图片，如经过像tinypng、pngguant压缩过的，位深会被压缩，这点千万要注意！如果经过tinypng或者pngquant算法压缩后，是可能出现虽然包含透明通道，但是位深（每像素大小）是4、8、16、24甚至是1的，具体原理涉及到压缩算法，这里不进行深究。

if(file.getName().endsWith(".png") 
    && !file.getName().contains(".9.png")
    && getPngBitDepth(file) != 32) {
        //do convert
    }

private static int getPngBitDepth(File file) throws IOException {
    BufferedImage sourceImg = ImageIO.read(new FileInputStream(file));
    ColorModel color = sourceImg.getColorModel();
    return color.getPixelSize();
}

3.1.2 根据是否包含alpha通道

• 从上述API的介绍里也了解到了，可以通过ColorModel直接获取图片各个分量上的值的，当然也就可以通过它判断图片否包含alpha通道。

if(file.getName().endsWith(".png") 
    && !file.getName().contains(".9.png")
    && !constainsAlphaChannel(file) {
        //do convert
    }

private static boolean constainsAlphaChannel(File file)  throws IOException{
    BufferedImage sourceImg = ImageIO.read(new FileInputStream(file));
    ColorModel color = sourceImg.getColorModel();
    return color.hasAlpha();
}

3.1.3 根据是否包含透明度像素

• 有的png图片虽然包含了透明通道，但并未使用，可遍历每张图片上的像素点，把不包含透明度的图片全部找出来，进行转换，扩大转换范围。

if(file.getName().endsWith(".png") 
    && !file.getName().contains(".9.png")
    && !constainsAlphaChannel(file) {
        //do convert
    }
private static boolean containsTransparency(File file) throws FileNotFoundException, IOException{
    BufferedImage image = ImageIO.read(new FileInputStream(file));
    for (int i = 0; i < image.getHeight(); i++) {
        for (int j = 0; j < image.getWidth(); j++) {
            if (isTransparent(image, j, i)){
                return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

public static boolean isTransparent(BufferedImage image, int x, int y ) {
    int pixel = image.getRGB(x,y);
    return (pixel>>24) == 0x00; //透明通道在高8位，根据其是否为0判断是否包含透明通道
}

• 本文进行的验证都是通过第三种来的，需要转换的png图片范围会比不包含alpha通道的图片集稍微大些

3.2 图像转换

本节进行转换的是debug版本的APK反编译出来的目录，release版本的会在下一节阐述。

3.2.1 ImageIO进行转换

• 最开始找到的png转jpg的方法是使用ImageIO，这种方式也是网上能找到的比较多的方法，使用它转换的时候要注意，由于jpg是不包含alpha通道的，所以转换过程中需要先画一个背景，具体颜色自己可以设置：

private static void convertPNG2JPG(File pngFile, File jpgFile) throws IOException {
    BufferedImage bufferedImage = ImageIO.read(pngFile);
    BufferedImage newBufferedImage = new BufferedImage(bufferedImage.getWidth(),bufferedImage.getHeight(),BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
    //创建BufferedImage,并绘制白色的背景
    newBufferedImage.createGraphics().drawImage(bufferedImage, 0, 0, Color.WHITE, null);
    ImageIO.write(newBufferedImage,"jpg",jpgFile);
}

通过上述介绍过API以后，这段代码不难理解了，就是通过ImageIO把创建的BufferedImage以jpg形式写回文件。
通过这次转换以后，输出文件大小对比：

png total size:4226.41KB
jpg total size:1103.19KB

可以看到，大小减少了很多，但是看看成像质量，发现画质损失的有点严重啊：

画质对比

左边是png原图，右边是jpg，放大后可以看到边缘损失很大。

• 跟踪源码发现，ImageIO.write()方法的内部其实也是通过IIOImage调用了ImageWrite.write方法，只不是压缩质量设置的是默认的0.75f，那有没有可以设置压缩质量的转换方法呢？

3.2.2 ImageWriter.Write进行转换

• 经过调研，找到了以下方式进行图片格式转换。通过上述API的讲解，代码很好理解，这种方式对图像的操作也更加灵活：

private static void convertPNG2JPG_2(File pngFile, File jpgFile) throws FileNotFoundException, IOException {
    BufferedImage bufferedImage = ImageIO.read(pngFile);
    JPEGImageWriteParam jpegParams = new JPEGImageWriteParam(null);
    jpegParams.setCompressionMode(ImageWriteParam.MODE_EXPLICIT);
    //这里设置压缩质量
    jpegParams.setCompressionQuality(1.0f);
    ImageWriter jpgWriter = ImageIO.getImageWritersByFormatName("jpg").next();
    jpgWriter.setOutput(new FileImageOutputStream(jpgFile));
    IIOImage iioImage = new IIOImage(bufferedImage,null,null);
    jpgWriter.write(null, iioImage,jpegParams);
    jpgWriter.dispose();
}

注意，使用上述API，不要采用JDK11，否则会报出以下错误，不好排查，改用JDK1.8后可用。

调用上述API后发生了Native层的奔溃

• 先把压缩质量的参数设置为1.0f，把PNG图像转换为JPG，输入文件大小：

png total size:4226.41KB
jpg total size:5012.55KB

可以看到大小不减少反而增大了，进一步验证了，并不是所有的情况，png转换为jpg，图像大小都会变小，详细说明可看参考链接。
看看成像质量：

压缩参数是1.0f时的成像对比

左边是png，右边是转换后的jpg，虽然画面的通透性感觉有点改变，画质还是可以的，可是大小却变大了

• 再按照默认的0.75的质量进行转换，输出文件大小：

png total size:4226.41KB
jpg total size:1479.10KB

可以看到，文件大小从原来png的4226KB变成了1479KB，来看看成像质量：

压缩参数是0.75f时的成像对比

左边是png原图，右边是转换成jpg后的图像。同样可以发现存在肉眼可见的画质损失。

• 通过反复测试，发现当压缩质量参数为0.9f的时候，画质与大小得到了平衡。体积大小相比0.75f时增加不多。
  大小输出对比：

png total size:4226.41KB
jpg total size:2036.71KB

画质对比：

压缩参数是0.9f时的成像对比

可以看到图像的质量还是可以的，没有明显的糊边了。

4.进一步探索

上一节的探索都是在debug版本的APK反编译进行的，由于抖音的图片资源在打release包的时候会经过McImage的优化，期间会用pngguant算法进行压缩，思考，如果此时我将压缩后的png的图片进行上述转换，会发生什么情况呢？

4.1 release版本探索

压缩质量设置为0.9，通过上述程序转换，输出文件大小：

png total size:415.09KB
jpg total size:595.10KB

首先看到的是，能检测出来不包含alpha像素的png图片的数量少了很多，猜测这个可能是用pngquant压缩后与Java API的检测有关，具体源码不深究了。
我们来看此时图像的成像质量，扫描出的不包含alpha像素的png图片：

png目录

而发现jpg中有好多转换失败的黑图：

转换后的jpg目录

不用挑样张来对比成像质量了，这是绝对不允许的，所以通过算法压缩后的图像，转换后，不仅体积变大，而且还有很多转换失败的。

所以，上述的转换，一定要是针对未通过其他算法进行压缩后的图像资源。

4.2 转换成jpg后，还可以通过tinypng压缩吗？

依然回到debug版本的资源上，进一步探索，看转换后的图像，是否可以通过tinypng压缩。

• 把压缩后的jpg，通过tinypng进行压缩（一次20张，分批次进行压缩）
  压缩后，得到的图像大小如图，换算成KB是1099KB

  
  
  

  转换为jpg后又通过tinypng进行压缩后的大小
  
  

  整个过程的大小变化：

step 1 扫出需要转换的png原图 -> 4226KB
step 2 上述png转成jpg -> 2036KB
setp 3 上述的jpg经过tinypng压缩 -> 1099KB

压缩后，发现有些图像也被损坏，很多图片出现了奇怪的背景颜色:

经过tinypng压缩后，有的图像出现了损坏

虽然图片大小体积进一步变小，但是图像出现了损坏，这种情况也是不可取的。

4.3png直接用tinypng压缩

• png转jpg再进行tinypng压缩后，大小虽然小了很多，但是图像在tinypng压缩的时候失败了。那么直接把png进行tinypng进行压缩，大小和成像质量会怎么样呢？
  通过tinypng将png压缩后，得到对大小如图，换算成KB，是1300KB。

  
  
  

  直接把需要转换的图片放到tinypng上进行压缩后的目录大小
  
  

  大小从原来的4226KB减小到了1300KB，减小了很多，现在来看下成像质量：

  
  
  png原图与tinypng压缩后的成像对比
  
  同样，左边是png原图，右边是tinypng压缩后的，不得不承认，tinypng压缩真的很优秀，肉眼看去，跟原图无异啊。

5. 结论与思考

• 如果不考虑使用其他算法对图片进行压缩，把不包含透明度的png转换为jpg，体积大小通常情况下会大大减少；
• 压缩质量参数可根据成像质量自行设定，官方建议0.75f，属于视觉无损；
• 如果要用压缩算法对图片进行压缩，不建议进行格式转换，无论是转换前压缩还是转换后压缩，图像都可能会损坏；
• tinypng压缩算法还是相当优秀的，体积大小缩小很多，画质肉眼几乎看不到损失，良心推荐啊；
• 通过上述介绍的几个Java API，我们对图片对控制是可以达到每个像素的粒度，拿到这些信息后是可以做很多事情的，比如：结合图像识别算法，可以判断图片的相似度。
• jpg不包含透明通道，png包含透明通道。通常情况下，在有明亮的色彩与纹理的图像中，位深相同的情况下，jpg比png图像拥有更高的压缩比。我个人的理解是，图片位深越大，压缩比越大，详情可查看下方链接。

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参考链接

Comparison of different image compression formats