Android图片压缩原理分析（一）—— Android图片压缩必备基础知识
前言：
随着移动互联网的飞速发展，智能手机的发展也进入了快速发展期，各大智能手机功能也是越来越趋于完善和智能多样化，其中拍照功能的升级就是其中之一。随手一拍就是大片的感觉，拍的图片也是越来越清醒，但是随之而来带给我我们开发的问题就是对内存的优化，大家都知道，图片越大越清晰随之对内存和物理存储的消耗就更严重，我们经常会遇到图片OOM的问题。因此我觉得Android性能优化，图片优化处理是必不可少的一环。因此我查阅了相关书籍和相应的博客，决定出一期关于Android图片压缩相关的博客。
最近看了大量资料后了解到，有从上层尺寸压缩、尺寸裁剪、质量压缩，也有到下层的哈夫曼压缩，今天就来总结一下，做个技术分享，希望后面的内容能提升你对图片压缩的认知。
一、图片入门知识
俗话说，万丈高楼平地起，要想盖好高楼，地基时至关重要的，在讲解压缩相关技能前，我们先深入认识和学习一下基础知识。下面我们就带着下面几个疑问一期来学习。
1、位深和色深有什么区别，他们是同一个东西吗？
2、为什么Bitmap不能直接保存，Bitmap和PNG、JPG之间到底有什么关系？
3、图片占用的内存大小公式：图片分辨率 * 每个像素点大小，这种说法正确吗？
4、为什么有时候同一个 app，app 内的同一个界面上的同一张图片，在不同设备上所耗内存为什么不一样？
5、同一张图片，当在界面上显示的控件大小不同时，它的内存大小也会跟随着改变吗？
下面让我们带着这三个疑问一起深入了解探究一下吧。
【1】ARGB
我们经常听见设计同事说ARGB，也在Android的bitmap的config里看见ARGB相关的字眼，那么ARGB到底是什么了？他们分别代表着什么？
ARGB颜色模型：最常见的颜色模型，设备相关，四种通道，取值均为[0，255]，即转化成二进制位 0000 0000 ~ 1111 1111。
A：Alpha (透明度) R：Red (红) G：Green (绿) B：Blue (蓝)
【2】什么是Bitmap？
Bitmap对象本质是一张图片的内容在手机内存中的表达形式。它将图片的内容看做是由存储数据的有限个像素点组成；每个像素点存储该像素点位置的ARGB值。每个像素点的ARGB值确定下来，这张图片的内容就相应地确定下来了。 关于Android中的两个类Bitmap和BitmapFactory，里面的重要函数请参考 Android 图片缓存之 Bitmap 详解
【3】Android Bitmap常使用的色彩模式
Bitmap.Config是Bitmap的一个枚举内部类，它表示的就是每个像素点对ARGB通道值的存储方案。取值有以下四种：
-
ALPHA_8：每个像素占8位（1个字节），存储透明度信息，没有颜色信息。
-
RGB_565：没有透明度，R=5，G=6，B=5，，那么一个像素点占5+6+5=16位（2字节），能表示2^16种颜色。
-
ARGB_4444：由4个4位组成，即A=4，R=4，G=4，B=4，那么一个像素点占4+4+4+4=16位 （2字节），能表示2^12种颜色。
-
ARGB_8888：由4个8位组成，即A=8，R=8，G=8，B=8，那么一个像素点占8+8+8+8=32位（4字节），能表示2^24种颜色。
A是透明通道，代表灰度等级，严格意义上来说，不能算颜色。一个失去颜色的世界，就是黑白世界，达到极致，要么全白、要么全黑。
【4】位深与色深
在windows上查看一张图片的信息会发现有位深度这个东西，但没看到有色深：
这里介绍一下位深与色深的概念：
① 色深：顾名思义，就是"色彩的深度"，指是每一个像素点用多少bit来存储ARGB值，属于图片自身的一种属性。色深可以用来衡量一张图片的色彩处理能力（即色彩丰富程度）。典型的色深是8-bit、16-bit、24-bit和32-bit等。上述的Bitmap.Config参数的值指的就是色深。比如ARGB_8888方式的色深为32位，RGB_565方式的色深是16位。色深是数字图像参数。
②位深度是指在记录数字图像的颜色时，计算机实际上是用每个像素需要的二进制数值位数来表示的。当这些数据按照一定的编排方式被记录在计算机中，就构成了一个数字图像的计算机文件。每一个像素在计算机中所使用的这种位数就是“位深度”，位深是物理硬件参数，主要用来存储。
举个例子：某张图片100像素*100像素 色深32位(ARGB_8888)，保存时位深度为24位，那么：
- 该图片在内存中所占大小为：100 * 100 * (32 / 8) Byte
- 在文件中所占大小为 100 * 100 * ( 24/ 8 ) * 压缩率 Byte
注意：24位颜色可称之为真彩色，色深度是24，它能组合成2的24次幂种颜色，即：16777216种颜色，超过了人眼能够分辨的颜色数量。
【5】内存中Bitmap的大小
网上很多文章都会介绍说，计算一张图片占用的内存大小公式：分辨率 * 每个像素点的大小，但事实真的如此吗？
我们都知道我们的手机屏幕有着一定的分辨率(如:1920×1080)，图像也有自己的像素(如拍摄图像的分辨率为4032×3024)。
如果将一张1920×1080的图片加载铺满1920×1080的屏幕上这就是最合适的了，此时显示效果最好。
如果将一张4032×3024的图像放到1920×1080的屏幕并不会得到更好的显示效果(和1920×1080的图像显示效果是一致的)，反而会浪费更多的内存，如果按ARGB_8888来显示的话，需要48MB的内存空间（4048*3036 *4 bytes），这么大的内存消耗极易引发OOM，后面我们会讲到针对大图加载的内存优化，在这里不过多介绍。
在 Android 原生的 Bitmap 操作中，图片来源是res内的不同资源目录时，图片被加载进内存时的分辨率会经过一层转换，所以，虽然最终图片大小的计算公式仍旧是分辨率*像素点大小，但此时的分辨率已不是图片本身的分辨率了。详细请看字节跳动面试官：一张图片占据的内存大小是如何计算，规则如下：
新分辨率 = 原图横向分辨率 * (设备的 dpi / 目录对应的 dpi ) * 原图纵向分辨率 * (设备的 dpi / 目录对应的 dpi )。
- 当使用 Glide 时，如果有设置图片显示的控件，那么会自动按照控件的大小，降低图片的分辨率加载。图片来源是 res 的分辨率转换规则对它也无效。
- 当使用 fresco 时，不管图片来源是哪里，即使是 res，图片占用的内存大小仍旧以原图的分辨率计算。
- 其他图片的来源，如磁盘，文件，流等，均按照原图的分辨率来进行计算图片的内存大小。
那么如何计算Bitmap占用的内存？
来看BitmapFactory.decodeResource()的源码：
BitmapFactory.java
public static Bitmap decodeResourceStream(Resources res, TypedValue value,InputStream is, Rect pad, Options opts) {
if (opts == null) {
opts = new Options();
}
if (opts.inDensity == 0 && value != null) {
final int density = value.density;
if (density == TypedValue.DENSITY_DEFAULT) {
//inDensity默认为图片所在文件夹对应的密度
opts.inDensity = DisplayMetrics.DENSITY_DEFAULT;
} else if (density != TypedValue.DENSITY_NONE) {
opts.inDensity = density;
}
}
if (opts.inTargetDensity == 0 && res != null) {
//inTargetDensity为当前系统密度。
opts.inTargetDensity = res.getDisplayMetrics().densityDpi;
}
return decodeStream(is, pad, opts);
}
BitmapFactory.cpp 此处只列出主要代码。
static jobject doDecode(JNIEnv* env, SkStreamRewindable* stream, jobject padding, jobject options) {
//初始缩放系数
float scale = 1.0f;
if (env->GetBooleanField(options, gOptions_scaledFieldID)) {
const int density = env->GetIntField(options, gOptions_densityFieldID);
const int targetDensity = env->GetIntField(options, gOptions_targetDensityFieldID);
const int screenDensity = env->GetIntField(options, gOptions_screenDensityFieldID);
if (density != 0 && targetDensity != 0 && density != screenDensity) {
//缩放系数是当前系数密度/图片所在文件夹对应的密度；
scale = (float) targetDensity / density;
}
}
//原始解码出来的Bitmap；
SkBitmap decodingBitmap;
if (decoder->decode(stream, &decodingBitmap, prefColorType, decodeMode)
!= SkImageDecoder::kSuccess) {
return nullObjectReturn("decoder->decode returned false");
}
//原始解码出来的Bitmap的宽高；
int scaledWidth = decodingBitmap.width();
int scaledHeight = decodingBitmap.height();
//要使用缩放系数进行缩放，缩放后的宽高；
if (willScale && decodeMode != SkImageDecoder::kDecodeBounds_Mode) {
scaledWidth = int(scaledWidth * scale + 0.5f);
scaledHeight = int(scaledHeight * scale + 0.5f);
}
//源码解释为因为历史原因；sx、sy基本等于scale。
const float sx = scaledWidth / float(decodingBitmap.width());
const float sy = scaledHeight / float(decodingBitmap.height());
canvas.scale(sx, sy);
canvas.drawARGB(0x00, 0x00, 0x00, 0x00);
canvas.drawBitmap(decodingBitmap, 0.0f, 0.0f, &paint);
// now create the java bitmap
return GraphicsJNI::createBitmap(env, javaAllocator.getStorageObjAndReset(),
bitmapCreateFlags, ninePatchChunk, ninePatchInsets, -1);
}
此处可以看出：加载一张本地资源图片，那么它占用的内存 = width * height * nTargetDensity/inDensity * nTargetDensity/inDensity * 一个像素所占的内存。
【6】小节总结
到了这里，我们就可以对于上面提出的五点问题给出准确的解答了。
- 位深和色深看着其实差不多，都用24-bit和32-bit等来表示，而且一个图片的色深和位深有可能是一样（例如都是24bit），但一个是图片的参数，一个是用于存储的物理硬件参数。
- Bitmap是图片在内存中的表示形式，GIF、JPEG、BMP、PNG和WebP等格式图片是持久化存储后的图片， jpg、png 只是图片的容器。而当图片加载到内存中以显示的时候，应该将磁盘上压缩存储的图片内容完整地展开即为解压缩过程，所以bitmap很大，不能直接存储，在内存中很容易造成OOM。
- 说法也对，但是不全对，没有说明场景，同时也忽略了一个影响项：Density，可以参考解析Bitmap的density的讲解。公式应为： width * height * nTargetDensity/inDensity * nTargetDensity/inDensity * 一个像素所占的内存
- 因为不同设备的分辨率不同，导致加载到内存中的大小也不一样
- 热门的开源图片库，内部基本都会有一些图片的优化处理操作，当使用 Glide 时，会自动按照控件的大小，降低图片的分辨率加载，它的内存大小也会随着改变。
一句话总结： 这小节我们学会了ARGB是什么，色彩模式是什么有哪些，位深与色深的概念与关系，以及Bitmap概念和内存中Bitmap的大小的计算公式，掌握了这些基础我们就可以继续往下学习一下有关图片压缩的方法了。
二、Android中图片压缩的方法介绍
前言：
在 Android 中进行图片压缩是非常常见的开发场景，主要的压缩方法有两种：其一是质量压缩，其二是下采样压缩。
前者是在不改变图片尺寸的情况下，改变图片的存储体积，而后者则是降低图像尺寸，达到相同目的。
【1】质量压缩
在Android中，对图片进行质量压缩，通常我们的实现方式如下所示：
ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
//quality 为0～100，0表示最小体积，100表示最高质量，对应体积也是最大
bitmap.compress(Bitmap.CompressFormat.JPEG, quality , outputStream);
在上述代码中，我们选择的压缩格式是CompressFormat.JPEG，除此之外还有两个选择：
其一，CompressFormat.PNG， PNG格式是无损的，它无法再进行质量压缩，quality 这个参数就没有作用了，会被忽略，所以最后图片保存成的文件大小不会有变化；
其二，CompressFormat.WEBP ，这个格式是 google 推出的图片格式，它会比 JPEG 更加省空间，经过实测大概可以优化 30% 左右。
在某些应用场景需要bitmap转换成ByteArrayOutputStream ，需要根据你要压缩的图片格式来判断使用CompressFormat.PNG还是Bitmap.CompressFormat.JPEG， 这时候quality 为100。
Android 质量压缩逻辑：
函数 compress 经过一连串的 java 层调用之后，最后来到了一个 native 函数，如下：
//Bitmap.cpp
static jboolean Bitmap_compress(JNIEnv* env, jobject clazz, jlong bitmapHandle,
jint format, jint quality,
jobject jstream, jbyteArray jstorage) {
LocalScopedBitmap bitmap(bitmapHandle);
SkImageEncoder::Type fm;
switch (format) {
case kJPEG_JavaEncodeFormat:
fm = SkImageEncoder::kJPEG_Type;
break;
case kPNG_JavaEncodeFormat:
fm = SkImageEncoder::kPNG_Type;
break;
case kWEBP_JavaEncodeFormat:
fm = SkImageEncoder::kWEBP_Type;
break;
default:
return JNI_FALSE;
}
if (!bitmap.valid()) {
return JNI_FALSE;
}
bool success = false;
std::unique_ptr<SkWStream> strm(CreateJavaOutputStreamAdaptor(env, jstream, jstorage));
if (!strm.get()) {
return JNI_FALSE;
}
std::unique_ptr<SkImageEncoder> encoder(SkImageEncoder::Create(fm));
if (encoder.get()) {
SkBitmap skbitmap;
bitmap->getSkBitmap(&skbitmap);
success = encoder->encodeStream(strm.get(), skbitmap, quality);
}
return success ? JNI_TRUE : JNI_FALSE;
}
可以看到最后调用了函数 encoder->encodeStream(…) 编码保存本地。该函数是调用 skia 引擎来对图片进行编码压缩，对skia 的介绍将在后文讲解 底层哈夫曼压缩时展开。
【2】尺寸压缩
- 邻近采样（Nearest Neighbour Resampling）
BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
//或者 inDensity 搭配 inTargetDensity 使用，算法和 inSampleSize 一样
options.inSampleSize = 2; //设置图片的缩放比例(宽和高) , google推荐用2的倍数：
Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile("xxx.png");
Bitmap compress = BitmapFactory.decodeFile("xxx.png", options);
在这里着重讲一下这个inSampleSize。从字面上理解，它的含义是: “设置取样大小”。它的作用是：设置inSampleSize的值(int类型)后，假如设为4，则宽和高都为原来的1/4，宽高都减少了，自然内存也降低了。
参考Google官方文档的解释，我们从中可以看到 x（x 为 2 的倍数）个像素最后对应一个像素，由于采样率设置为
1/2，所以是两个像素生成一个像素。
邻近采样的方式比较粗暴，直接选择其中的一个像素作为生成像素，另一个像素直接抛弃，这样就造成了图片变成了纯绿色，也就是红色像素被抛弃。
邻近采样采用的算法叫做邻近点插值算法。
- 双线性采样（Bilinear Resampling）
双线性采样（Bilinear Resampling）在 Android 中的使用方式一般有两种：
Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile("xxx.png");
Bitmap compress = Bitmap.createScaledBitmap(bitmap, bitmap.getWidth()/2, bitmap.getHeight()/2, true);
或者直接使用 matrix 进行缩放
Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile("xxx.png");
Matrix matrix = new Matrix();
matrix.setScale(0.5f, 0.5f);
bm = Bitmap.createBitmap(bitmap, 0, 0, bit.getWidth(), bit.getHeight(), matrix, true);
看源码可以知道 createScaledBitmap 函数最终也是使用第二种方式的 matrix 进行缩放，双线性采样使用的是双线性內插值算法，这个算法不像邻近点插值算法一样，直接粗暴的选择一个像素，而是参考了源像素相应位置周围 2x2 个点的值，根据相对位置取对应的权重，经过计算之后得到目标图像。
双线性内插值算法在图像的缩放处理中具有抗锯齿功能, 是最简单和常见的图像缩放算法，当对相邻 2x2 个像素点采用双线性內插值算法时，所得表面在邻域处是吻合的，但斜率不吻合，并且双线性内插值算法的平滑作用可能使得图像的细节产生退化，这种现象在上采样时尤其明显。
双线性采样对比邻近采样的优势在于：
- 它的系数可以是小数，而不一定是整数，在某些压缩限制下，效果尤为明显
- 处理文字比较多的图片在展示效果上的差别，双线性采样效果要更好
还有双三次采样和Lanczos采样等，具体分析可以参考 Android 中图片压缩分析（下）这篇QQ音乐大佬的分享。
【3】小节总结
在 Android
中，前两种采样方法根据实际情况去选择即可，如果对时间要求不高，倾向于使用双线性采样去缩放图片。如果对图片质量要求很高，双线性采样也已经无法满足要求，则可以考虑引入另外几种算法去处理图片，但是同时需要注意的是后面两种算法使用的都是卷积核去计算生成像素，计算量会相对比较大，Lanczos的计算量则是最大，在实际开发过程中根据需求进行算法的选择即可，往往我们是尺寸压缩和质量压缩搭配来使用。
下面我们要进入到实战中，参考一个仿微信朋友圈压缩策略的Android图片压缩工具——Luban，进入我们的下一章节鲁班压缩算法解析。