最新图片格式的压缩原理是什么

最新图片格式的压缩原理核心在于对信息冗余的极致挖掘，1. 采用高级预测机制，利用相邻像素进行帧内预测，仅编码残差值以提升效率；2. 支持多样的块划分与变换方式，根据图像内容自适应选择最优块大小和变换类型；3. 实现更精细的量化与感知优化，结合人眼视觉特性分配比特资源；4. 使用高效的熵编码技术如cabac，进一步压缩数据；5. 支持渐进式解码与多层编码，适应不同网络和设备需求。相比传统jpeg的固定8x8 dct变换和简单量化，新格式在低比特率下减少块状伪影，支持透明度、hdr和广色域，webp侧重网络性能平衡，avif追求极致压缩效率，jpeg xl致力于通用性和存量jpeg优化，未来图像压缩将融合ai实现语义级压缩、增强设备适应性，并与视频编码进一步统一。

说起最新的图片格式，它们的压缩原理可不是简单地把像素挤压一下。核心在于，这些新格式——比如WebP、AVIF和JPEG XL——它们不再满足于JPEG那种老一套，而是大量借鉴了视频编码的思路。简单讲，就是通过更聪明地预测相邻像素、用更灵活的数学变换把图像信息打包，再用更高效的方式编码这些信息，最终在文件大小和视觉效果之间找到一个更好的平衡点。

解决方案

在我看来，最新图片格式的压缩，其根本在于对信息冗余的极致挖掘和利用，这和传统JPEG的“一刀切”式处理方式有本质区别。它不再仅仅依赖于离散余弦变换（DCT）来将图像从空间域转换到频率域，然后丢弃高频信息，而是引入了更复杂的机制：

1. 高级预测机制： 这可以说是核心中的核心。就像视频编码会预测下一帧的画面一样，现代图片格式在编码一个像素点时，会先尝试根据它周围已经编码好的像素点来“预测”它的值。如果预测得足够准，那么需要存储的就只是预测值和实际值之间的“残差”，这个残差通常非常小，编码起来效率极高。这种“帧内预测”技术，使得图像内部的局部关联性被充分利用，减少了大量重复信息。

   

2. 多样的变换与块划分： 传统JPEG通常是8x8像素的固定块进行DCT变换。但新格式则灵活得多，它们可以使用不同大小（比如4x4、16x16，甚至不规则形状）的块，以及除了DCT之外的多种变换方式（如离散正弦变换DST、或更复杂的自适应变换）。这种灵活性允许编码器根据图像内容的不同区域选择最适合的变换和块大小，从而更有效地集中能量，便于后续的量化。

3. 更精细的量化与感知优化： 量化是实现有损压缩的关键步骤，它决定了丢弃多少信息。新格式的量化过程更智能，它会考虑到人眼对不同频率、不同颜色区域的敏感度差异。比如，人眼对亮度变化比色度变化更敏感，对图像细节区域的损失比平坦区域更不易察觉。所以，它们会根据这些人类视觉特性来分配更多的比特给重要的信息，而对不那么重要的信息进行更激进的量化，从而在视觉质量损失最小的前提下实现最大压缩。

   

4. 高效的熵编码： 经过预测、变换和量化之后的数据，仍然需要进行无损编码。新格式普遍采用了更先进的熵编码方法，例如算术编码（Arithmetic Coding）或上下文自适应二进制算术编码（CABAC），这些方法比JPEG使用的霍夫曼编码效率更高，能更紧密地打包数据，进一步减小文件体积。

5. 渐进式解码与多层编码： 很多新格式支持渐进式解码，这意味着图片可以先以低质量快速加载出来，然后逐渐细化。这背后通常是多分辨率或多层编码的原理，允许客户端根据网络带宽和设备性能来选择性地下载和显示不同质量的图像数据。

为什么传统JPEG格式在现代网络环境下显得力不从心？

JPEG，坦白说，是个老兵了。它在互联网早期确实立下了汗马功劳，但随着显示技术和网络环境的变化，它的局限性就越来越明显了。最让我头疼的，就是它在低比特率下的表现，简直是灾难。当你尝试把JPEG文件压得很小时，那个标志性的“块状伪影”就出来了，整个画面变得模糊不清，细节全丢。这是因为它基于固定的8x8块进行DCT变换和量化，当信息丢失过多时，块与块之间的边界就会变得非常明显，非常影响观感。

再者，JPEG对透明度（Alpha通道）的支持是缺失的，如果你想做一些复杂的前端设计，比如不规则形状的图片，就得额外用PNG，文件体积又上去了。它对HDR（高动态范围）和广色域的支持也基本没有，在如今各种高分屏、HDR电视普及的时代，这无疑是个硬伤。所以，它在压缩效率、画质表现和功能支持上，都跟不上时代了。

WebP、AVIF和JPEG XL各自的压缩侧重点与技术亮点是什么？

这三个格式，我觉得各有各的脾气，也各有各的绝活：

WebP (Google)：

• 侧重点： 这是一个比较早期的“新格式”，主要目标是替代JPEG和PNG，在网络传输中提供更好的性能。它追求的是一个“平衡点”，即在压缩率和解码速度之间找到一个不错的平衡。
• 技术亮点： 它基于VP8视频编码的帧内编码技术，因此在预测和变换方面比JPEG更灵活。WebP同时支持有损和无损压缩。它的无损模式，在很多场景下比PNG小25%以上，而有损模式在相同SSIM（结构相似性）指标下，比JPEG小25-34%。对网络图片来说，它是个非常实用的选择。

AVIF (Alliance for Open Media)：

• 侧重点： 追求极致的压缩效率和高质量的图像表现，尤其是在低比特率下。它直接继承了AV1视频编码的强大基因，目标是成为下一代主流图像格式。
• 技术亮点： 作为基于AV1的格式，它拥有AV1的所有先进特性，包括更丰富的预测模式、更灵活的变换（包括不规则变换）、以及更高效的CABAC熵编码。AVIF能原生支持HDR、广色域和10位/12位色深，对透明度、动画也支持得很好。在同等画质下，它的文件大小通常比WebP还要小很多，有时能比JPEG小50%以上。缺点是编码和解码可能比较耗时，对设备性能有一定要求。

JPEG XL (Joint Photographic Experts Group)：

• 侧重点： 这是一个雄心勃勃的“通用”图像格式，旨在统一并取代现有所有主流格式（JPEG、PNG、GIF等）。它不仅仅是压缩，更是要提供一个面向未来的、功能全面的图像解决方案。
• 技术亮点： JPEG XL最让我印象深刻的是它的“渐进式JPEG重压缩”功能，这意味着你可以在不损失任何信息的情况下，把现有的JPEG文件转换成JPEG XL，并且文件体积会大幅减小。这对于存量巨大的JPEG图片来说，简直是福音。它还支持无损压缩、有损压缩、动画、HDR、广色域、多层图像等等。它的编码器设计非常模块化，融合了多种先进技术，旨在提供最好的压缩比和最快的解码速度。我个人觉得，它在通用性和未来潜力上，是目前最值得期待的。

图像压缩的未来趋势将走向何方？

我觉得图像压缩的未来，会更加“聪明”和“适应性强”。

首先，人工智能和机器学习的深度融合是必然的。现在很多压缩算法还是基于数学模型和经验规则，但未来可能会有更多AI模型直接参与到图像分析、预测和量化过程中，它们能更好地理解图像内容，比如识别出哪些是人脸、哪些是背景，然后根据这些信息进行更精细化的压缩，确保人眼最关注的部分得到最高质量的保留。这有点像“语义压缩”的概念，不再是简单地丢弃高频信息，而是有选择性地保留对人类感知最重要的信息。

其次，通用性和互操作性会变得更重要。现在我们有WebP、AVIF、JPEG XL，未来可能还会有新的。但用户和开发者其实都希望有一个“一劳永逸”的格式，能兼顾极致压缩、高质量、丰富功能（比如HDR、动画、多层）以及广泛的设备支持。JPEG XL正朝着这个方向努力，它试图通过一个格式兼容多种需求，减少格式碎片化带来的麻烦。

再者，更强的设备端适应性。未来的图片格式可能会更智能地根据用户的设备性能、网络带宽，甚至屏幕尺寸和显示能力，动态调整解码策略和显示质量。比如，在低功耗设备上自动选择更快的解码路径，或者在带宽受限时先显示一个超低质量的预览，再逐步加载高清细节。这要求格式本身具备高度的可伸缩性和分层编码能力。

最后，与视频编码标准的进一步融合。我们会看到图像和视频编码技术的界限越来越模糊。毕竟，图像本质上就是视频的单帧。AVIF就是最好的例子，它直接受益于AV1的进步。未来，新的视频编码标准很可能会直接催生出更强大的图像格式，共享底层技术，甚至可能出现某种“统一媒体格式”，既能高效存储图像，也能高效存储视频。

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