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[译] 如何在无损的情况下让图片变的更小

如何在无损的情况下让图片变的更小

Yelp(美国最大点评网站)已经有超过 1 亿张用户上传的照片了,其中不但有晚餐、理发等活动的照片还有我们的新特性照片 -- #yelfies(一种在拍摄时,加上自拍头像的一种新的拍照方式)。这些图片占用了用户 app 和网站的大多数带宽,同时也代表着储存和传输的巨大成本。为了给我们的用户最好的用户体验,我们竭尽所能的优化我们的图片,最终达到图片大小平均减少 30%。这不仅节省了我们用户的时间和带宽,还减少了我们的服务器成本。对了,关键的是我们的这个过程是完全无损的!

背景

Yelp 保存用户上传的图片已经有 12 年了。我们将 PNG 和 GIF 保存为无损格式的 PNG,其他格式的保存为 JPEG。我们使用 Python 和 Pillow 保存图片,让我们直接从上传图片开始吧:

# do a typical thumbnail, preserving aspect ratio
new_photo = photo.copy()
new_photo.thumbnail(
    (width, height),
    resample=PIL.Image.ANTIALIAS,
)
thumbfile = cStringIO.StringIO()
save_args = {'format': format}
if format == 'JPEG':
    save_args['quality'] = 85
new_photo.save(thumbfile, **save_args)复制代码

下面让我们来寻找一些可以在无损条件下优化文件大小的方法。

优化

首先,我们要决定是选择我们自己,还是一个 CDN 提供商 magically change 来处理我们的图片。随着我们对高质量内容的重视,评估各种方案并在图片大小和质量之间做出取舍就显得非常重要了。让我们来研究一下当前图片文件减小的一些方法,我们可以做哪些改变以及每种方法我们可以减少多少大小和质量。完成这项研究之后,我们决定了三个主要策略。本文剩下的部分解释了我们所做的工作,以及从每次优化中获得的好处。

  1. Pillow 中的改变
  • 优化 flag
  • 渐进式 JPEG
  1. 更改应用的照片逻辑
  • 大 PNG 检测
  • JPEG 动态质量
  1. 更换 JPEG 编码器
  • Mozjpeg (栅格量化,自定义量化矩阵)

Pillow 中的改变

优化 Flag

这是我们做出的最简单的改变之一:开启 Pillow 中负责以 CPU 耗时为代价节省额外的文件大小的设置 (optimize=True)。由于本质没变,所有这对于图片质量丝毫没有影响。

对于 JPEG 来说,对个选项告诉编码器通过对每个图片进行一次额外的扫描以找到最佳的 霍夫曼编码。第一次,不写入文件,而是计算每个值出现的次数,以及可以计算出理想编码的必要信息。PNG 内部使用 zlib,所以在这种情况下优化选项告诉编码器使用 gzip -9 而不是 gzip -6

这是一个很简单的改变,但是事实证明它也不是银弹,因为文件大小只减少了百分之几。

渐进式 JPEG

当我们将一张图片保存为 JPEG 时,你可以从下面的选项中选择不同的类型:

  • 标准型: JPEG 图片自上而下载入。
  • 渐进式: JPEG 图片从模糊到清晰载入。渐进式的选项可以在 Pillow 中轻松的启用 (progressive=True)。这是一个能明显感觉到的性能提升(就是比起不是清晰的图片,只加载一半的图片更容易注意到。)

还有就是渐进式文件的被打包时会有一个小幅的压缩。更详细的解释请看 Wikipedia article,JPEG 格式在 8x8 像素块上使用锯齿模式进行熵编码。当这些像素块的值被解压并按顺序展开时,你会发现通常情况下非零的数字会优先出现,然后是零的序列,那个模式会对图片的每一个 8x8 的像素块进行隔行扫描。使用渐进编码时,被解压开的像素块的顺序会逐渐改变。每个块中较大的值将会在文件中首先出现,(渐进模式加载的图片中区分度最高的区域将最早被扫描),而一段较长的小数字,包括许多数字零,将会在最末加载,用于填充细节。这种图片数据的重新排列不会改变图片本身,但是确实可能在某一行(这一行可以被更容易的压缩)中增加了 0 的数量。

一个美味的甜甜圈的图片的对比(点击放大):

A mock of how a baseline JPEG renders.
A mock of how a baseline JPEG renders.

模拟标准 JPEG 图片的渲染效果。

A mock of how a progressive JPEG renders.
A mock of how a progressive JPEG renders.

模拟渐进式 JPEG 图片的渲染效果。

更改应用的照片逻辑

大 PNG 检测

Yelp 为用户上传的图片主要提供两种格式 - JPEG 和 PNG。JPEG 对于照片来说是一个很棒的格式,但是对于高对比度的设计内容,类似 logo,就不那么优秀了。而 PNG 则是完全无损的,所以非常适用于图形类型的图片,但是对于差异不明显的图片又显得太大了。如果用户上传的 PNG 图片是照片的话(通过我们的识别),使用 JPEG 格式来存储就会节省很大的空间。通常情况下,Yelp 上的 PNG 图片都是移动设备和 "美图类" app 的截图。

(left) A typical composited PNG upload with logo and border. (right) A typical PNG upload from a screenshot.
(left) A typical composited PNG upload with logo and border. (right) A typical PNG upload from a screenshot.

(左边) 一张明显的 PNG 合成图。(右边) 一张明显的 PNG 的截图。

我们想减少这些不必要的 PNG 图片的数量,但重要的是要避免过度干预,改变格式或者降低图片质量。那么,我们如何来识别一张图片呢?通过像素吗?

通过一组 2500 张图片的实验样本,我们发现文件大小和独立像素结合起来可以很好地帮助我们判断。我们在最大分辨率下生成我们的候选缩略图,然后看看输出的 PNG 文件是否大于 300KB。如果是,我们就检测图片内容是否有超过 2^16 个独立像素(Yelp 会将 RGBA 图片转化为 RGB,即使不转,我们也会做这个检测)。

在实验数据集中,手动调整定义大图片的数值可以减少 88% 的文件大小(也就是说,如果我们将所有的图片都转换的话,我们预期可以节约的存储空间),并且这些调整对图片是无损的。

JPEG 动态质量

第一个也是最广为人知的减小 JPEG 文件大小的方法就是设置 quality。很多应用保存 JPEG 时都会设置一个特定的质量数值。

质量其实是个很抽象的概念。实际上,一张 JPEG 图片的每个颜色通道都有不同的质量。质量等级从 0 到 100 在不同的颜色通道上都对应不同的量化表,同时也决定了有多少信息会丢失。
在信号域量化是 JPEG 编码中失去信息的第一个步骤。

减少文件大小最简单的方法其实就是降低图片的质量,引入更多的噪点。但是在给定的质量等级下,不是每张图片都会丢失同样多的信息。

我们可以动态地为每一张图片设置最优的质量等级,在质量和文件大小之间找到一个平衡点。我们有以下两种方法可以做到这点:

  • Bottom-up: 这些算法是在 8x8 像素块级别上处理图片来生成调优量化表的。它们会同时计算理论质量丢失量和和人眼视觉信息丢失量。
  • Top-down: 这些算法是将一整张图片和它原版进行对比,然后检测出丢失了多少信息。通过不断地用不同的质量参数生成候选图片,然后选择丢失量最小的那一张。

我们评估了一个 bottom-up 算法,但是到目前为止,这个算法还没有在我们的实验环境下得到一个满意的结果(虽然这个算法看上去在中等质量图片地处理上还有不少发展潜力,因为处理中等质量图片可以丢弃更多的信息)。很多关于这个算法的 学术论文 在 90 年代早期发表,但是在这个算力昂贵的时代,bottom-up 算法的实现走了捷径,比如没有评估像素块之间的相互影响。

所以我们选择第二种方法:使用二分法在不同的质量等级下生成候选图片,然后使用 pyssim 计算它的结构相似矩阵 (SSIM) 来评估每张候选图片损失的质量,直到这个值达到非静态可配置的阈值为止。这个方法让我们可以有选择地降低文件大小(和文件质量),但是只适用于那些即使降低质量用户也察觉不到的图片。

在下面的图表中,我们画出了通过 3 个不同的质量等级生成的 2500 张图片的 SSIM 值的图像。

  1. 蓝色的线为 quality = 85 生成的原始图。
  2. 红色的线为quality = 80 生成的图。
  3. 最后,橘色的图是我们最后使用的动态质量,参数为 SSIM 80-85。为一张图片基于汇合点或者超过 SSIM 比率(一个提前计算好的静态值,使得转换发生在图像范围中间的某处)的地方在 80 到 85 (包括 85) 之间选择一个质量值。这种方法可以有效地减小图片大小,但是又不会突破我们图片质量要求的底线。

SSIMs of 2500 images with 3 different quality strategies.
SSIMs of 2500 images with 3 different quality strategies.

2500 张 3 种不同的质量策略的 SSIM 值。

SSIM

这里有不少可以模拟人类视觉系统的图片质量算法。在评估了很多方法之后,我们认为 SSIM 这个方法虽然比较古老,但却是最适合对这几个特征做迭代优化的:

  1. JPEG 量化误差敏感。
  2. 快速,简单的算法。
  3. 可以在 PIL 本地图片对象上计算,而不需要将图片转换成 PNG 格式,而且还可以通过命令行运行(查看 #2)。

动态质量的实例代码:

import cStringIO
import PIL.Image
from ssim import compute_ssim


def get_ssim_at_quality(photo, quality):
    """Return the ssim for this JPEG image saved at the specified quality"""
    ssim_photo = cStringIO.StringIO()
    # optimize is omitted here as it doesn't affect
    # quality but requires additional memory and cpu
    photo.save(ssim_photo, format="JPEG", quality=quality, progressive=True)
    ssim_photo.seek(0)
    ssim_score = compute_ssim(photo, PIL.Image.open(ssim_photo))
    return ssim_score


def _ssim_iteration_count(lo, hi):
    """Return the depth of the binary search tree for this range"""
    if lo >= hi:
        return 0
    else:
        return int(log(hi - lo, 2)) + 1


def jpeg_dynamic_quality(original_photo):
    """Return an integer representing the quality that this JPEG image should be
    saved at to attain the quality threshold specified for this photo class.

    Args:
        original_photo - a prepared PIL JPEG image (only JPEG is supported)
    """
    ssim_goal = 0.95
    hi = 85
    lo = 80

    # working on a smaller size image doesn't give worse results but is faster
    # changing this value requires updating the calculated thresholds
    photo = original_photo.resize((400, 400))

    if not _should_use_dynamic_quality():
        default_ssim = get_ssim_at_quality(photo, hi)
        return hi, default_ssim

    # 95 is the highest useful value for JPEG. Higher values cause different behavior
    # Used to establish the image's intrinsic ssim without encoder artifacts
    normalized_ssim = get_ssim_at_quality(photo, 95)
    selected_quality = selected_ssim = None

    # loop bisection. ssim function increases monotonically so this will converge
    for i in xrange(_ssim_iteration_count(lo, hi)):
        curr_quality = (lo + hi) // 2
        curr_ssim = get_ssim_at_quality(photo, curr_quality)
        ssim_ratio = curr_ssim / normalized_ssim

        if ssim_ratio >= ssim_goal:
            # continue to check whether a lower quality level also exceeds the goal
            selected_quality = curr_quality
            selected_ssim = curr_ssim
            hi = curr_quality
        else:
            lo = curr_quality

    if selected_quality:
        return selected_quality, selected_ssim
    else:
        default_ssim = get_ssim_at_quality(photo, hi)
        return hi, default_ssim复制代码

这里有关于这项技术的其他的一些博客,这篇 是 Colt Mcanlis 写的。Etsy 也发表过一篇!快去看看吧!

更换 JPEG 编码器

Mozjpeg

Mozjpeglibjpeg-turbo 的一个开源分支,是通过执行时间来置换文件的大小的编码器。这种方法完美的契合离线批处理再生成图片。在比 libjpeg-turbo 多投入 3 到 5 倍的时间,和一点复杂的算法就可以使图片变的更小了!

mozjpeg 这个编码器最大的不同点就是使用了一张额外的量化表。就像上面提到的,质量是每一个颜色通道量化表的一个抽象的概念。默认 JPEG 量化表的所有信号点都十分容易被命中。用 JPEG 指导 中的话说就是:

这些表仅供参考,不能保证在任何应用中都是适用的。

所以说,大部分编码器的实现默认情况下使用这些表就不足为奇了。

Mozipeg已经替我们扫平了使用基准测试选择表的麻烦,并使用性能最好的通用替代方案创建图片。

Mozjpeg + Pillow

大部分 Linux 发行版 都会默认安装 libjpeg。所以默认情况下在 Pillow 中是无法使用 mozjpeg 的,但是配置好它并不难。当你要用 mozjpeg 编译时,使用 --with-jpeg8 这个参数,并确认 Pillow 可以链接并找到它就可以了。如果你使用 Docker,你也可以像这样写一个 Dockerfile:

FROM ubuntu:xenial

RUN apt-get update \
    && DEBIAN_FRONTEND=noninteractive apt-get -y --no-install-recommends install \
    # build tools
    nasm \
    build-essential \
    autoconf \
    automake \
    libtool \
    pkg-config \
    # python tools
    python \
    python-dev \
    python-pip \
    python-setuptools \
    # cleanup
    && apt-get clean \
    && rm -rf /var/lib/apt/lists/* /tmp/* /var/tmp/*

# Download and compile mozjpeg
ADD https://github.com/mozilla/mozjpeg/archive/v3.2-pre.tar.gz /mozjpeg-src/v3.2-pre.tar.gz
RUN tar -xzf /mozjpeg-src/v3.2-pre.tar.gz -C /mozjpeg-src/
WORKDIR /mozjpeg-src/mozjpeg-3.2-pre
RUN autoreconf -fiv \
    && ./configure --with-jpeg8 \
    && make install prefix=/usr libdir=/usr/lib64
RUN echo "/usr/lib64\n" > /etc/ld.so.conf.d/mozjpeg.conf
RUN ldconfig

# Build Pillow
RUN pip install virtualenv \
    && virtualenv /virtualenv_run \
    && /virtualenv_run/bin/pip install --upgrade pip \
    && /virtualenv_run/bin/pip install --no-binary=:all: Pillow==4.0.0复制代码

就是这样!构建完成,你就可以在图片处理工作流中使用带有 mozipeg 的 Pillow 库了。

影响

那么这些方法到底带来了多少提升呢?让我们来研究研究,在 Yelp 的图片库中随机抽取 2500 张图片并使用我们的工作流来处理,看看文件大小都有什么变化:

  1. 更改 Pillow 的设置可以减小 4.5%
  2. 大 PNG 检测可以减小 6.2%
  3. 动态质量可以减小 4.5%
  4. 更换为 mozjpeg 编码器可以减小 13.8%

这些全部加起来可以让图片大小平均减小大概 30%,并且我们应用在最大最常见分辨率的图片上,对于用户来说,不仅我们的网页变的更快,同时平均每天还可以节省兆兆字节的数据传输量。从 CDN 上就可见一斑:

Average filesize over time, as measured from the CDN (combined with non-image static content).
Average filesize over time, as measured from the CDN (combined with non-image static content).

CDN 上的时间变化与平均文件大小的趋势图(包含非图片的静态内容)。

我们没有做的

这一部分是为了介绍一些其他你们可能会用到的改善的方法,Yelp 没有涉及到是因为我们选择的工具链以及一些其他的权衡。

二次抽样

二次抽样 是决定网页图片质量和文件大小的主要因素。关于二次抽样的详细说明可以在网上找到,但是对于这篇博客简而言之就是我们已经使用 4:1:1 二次抽样过了(一般情况下 Pillow 的默认设置),所以这里我们并不能得到任何提升。

有损 PNG 编码

看到我们对 PNG 的处理之后,你可以选择将一部分图片使用类似 pngmini 的有损编码器保存为 PNG,但我们选择把图片另存为 JPEG 格式。这是另外一种不错的选择,在用户没有修改的情况下,文件大小就降低了 72-85%。

动态格式

我们在正在考虑支持更多的新图片类型,比如 WebP、JPEG2k。即使预定的项目上线了,用户对于优化过的 JPEG 和 PNG 图片请求的长尾效应也会继续发挥作用,使得这一优化仍然是值得的。

SVG

在我们的网站上很多地方都使用了 SVG,比如我们的设计师按照风格指导设计的一些静态资源。这种格式和类似 svgo 这样的优化工具会显著减少网页的负担,只是和我们这里要做的工作没什么关系。

供应商的魔力

市面上有很多的供应商可以提供图片的传输,改变大小,剪裁和转码服务。包括开源的 thumbor。或许对我们来说这是未来支持响应式图片,动态格式和保留边框最简单方法。但是从目前的情况来看我们的解决方案已经足够。

延伸阅读

下面的这两本书绝对有他们博客中没有提到的干货,同时也是今天这个主题强烈推荐的延伸阅读书籍。


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