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GIF图片格式简史

2023-12-16
教程
   

严重告警

本文严重抄袭维基百科的GIF词条，大部分内容可直接参考维基原文 同时严重抄袭这篇What’s In A GIF

强烈推荐去看下原文，写的非常详细且系统

GIF的前世今生

GIF（Graphics Interchange Format, 图形交换格式）诞生于1987年，它的目的是创建一种体积小， 便于在当年的小水管网络上传播，同时质量又说的过去的图像格式。 GIF最初的版本是87a，随后在1989年推出了增强版89a，增强版中新增了动画、透明背景和元数据存储的支持。 凭借其支持动画的能力和相对较小的文件大小，GIF很快在网络图像，尤其是简单图像如标志和按钮领域中广受欢迎。 即便到了今天(2023)年，GIF仍然是最流行的动态图格式，以至于孤陋寡闻的我，一直以为GIF是专为动态图设计的。

GIF最开始是由史蒂芬·威尔海特（Stephen Wilhite）在Compuserve公司带领团队开发， 顺便说一句威尔海特也在2013年获得威比奖（The Webby Award）终身成就奖，并于2022年3月14日因COVID-19及并发症逝世， 享年74岁。GIF本身并不支持动图循环播放，它原始的规则只支持它从第一帧播放到结束， 后来网景公司(Netscape，是的，就是创造了firefox浏览器，并在浏览器大战中输给了微软的那个网景)在1990年拓展了GIF, 在Netscape Navigator 2.0版本中率先支持了动画循环播放，后来逐渐被各个浏览器支持，最终变成了GIF事实上的标准。

文件格式概述

GIF格式采用调色板模式，即有一个颜色表，每种颜色可以使用RGB24格式存储，最多可以有256种颜色。 这256种颜色构成了GIF的调色板（RGB24每个颜色3字节，256颜色则3*256=3 * 0x100 = 0x300个byte）。 之后对于原始图像中的每个像素，不再使用具体的像素值，而是直接使用这个颜色在调色板中的索引值 (索引值应该是0-255之间的数字)。

这样，对于某个颜色种类小于256种的图片，则可以实现无损压缩。 对于超过256种颜色的图片来说，无论如何也是会产生信息损失的，只不过可以使用一些技巧把这种信息损失降到最低， 比如使用Dither方法具体的方法就不在这里讨论了,可参考

对于一张分辨率较高的图片，由于像素数目比较多，而颜色又总共只有256种，必然又大量重复的索引值， GIF使用了LZW这种无损编码算法进一步对数据进行了压缩。关于LZW专利，这里面还有一场早期的互联网斗争。 LZW是被Unisys这家公司申请了专利的，但是当时没人注意到这一点，或者没人在意。 等到1994年，Unisys这家忽然宣布要所有使用LZW的公司都要付费。甚至到1999年时又修改了许可条款， 未经允许任何人都无法使用。最终引发了一场“Burn GIFs”的运动，即要把所有GIF图片转换为PNG格式， 客观上也促进了PNG格式的发展。甚至GIF也推出过方案使得索引值可以不经过LZW压缩，以此来规避专利问题。 当然Unisys的专利已于2004年到期，现在GIF真正属于互联网了。

在GIF的89a版本中，添加了对透明度及动态图的支持。这里的透明度，只有0跟1两个值，即完全透明跟完全不透明。 对动态图的支持，表明GIF支持多帧图像，且GIF支持每帧图像都有自己的调色板， 这样就可以通过把原图划分为多个区域，每个区域都用256种颜色来表示， 最后再利用透明度这个功能在不同的帧中只显示自己的部分，最终把不同的区域叠加起来， 原则上就可以创造出远多余256种颜色。只不过采用这种方法需要多帧，会增大GIF本身体积， 虽然原理上可行，但是实用价值不大。下面的图片用来展示这个方法。

具体文件格式

下面介绍GIF的具体文件格式,以a89为例,GIF的格式组成由下图，

注意实线框为必须项，虚线框为可选项。

上图是个极其简单的GIF图，它的分辨率只有10x10，最多只支持4种颜色，每种颜色用2位二进制数表示。

上面是这个GIF图的二进制数据，我们分别来看GIF的各个字段:

  • Header Bloack

数据为47 49 46 38 39 61,其实就是GIF89a的ASCII码。

  • Logical Screen Descriptor

数据为0A 00 0A 00 91 00 00, 逻辑屏幕描述符紧随标题之后,总共7个字节。

  • Canvas width, Canvas height

    这里的宽度跟高度不一定就是整个图像的宽度跟高度，如果分块的话，就是分块的宽度跟高度，这个字段的目的就是给分块提供可能。

  • Packed Filed

  • global color table flag 全局颜色表标志,为0，表示没有全局颜色表。为1，表示有全局颜色表(我们的例子中有一个全局颜色表

  • color resolution. 它代表的是颜色位深。只有在有全局颜色表时才有意义。如果这个字段的值是N，则位深为N+1, 能表示的颜色种类总数目将是2^(N+1)。 样本图像中的001代表2位/像素；111将代表8位/像素。

  • sort flag 非必须，如果为1,则表示全局颜色表中的颜色按照重要性递减的顺序排序，即图像中出现的频次递减。 对解码有帮助，但不是必须的。

  • size of Global Color Table 全局颜色表中的颜色个数，比如值为N，则颜色表个数为2^(N+1)

  • background color index

    背景颜色的索引，这个索引对应的全局颜色表中的颜色，将会被认为为背景

  • pixel aspect ratio

    像素宽度与高度的比值。这个参数几乎被所有现代浏览器忽略,具体用处可能与当年的模拟电视图像有关。

  • Global Color table

数据为FF FF FF FF 00 00 00 00 FF 00 00 00,使用RGB24格式表示的调色板，个数根据上面的size of Global Color Tabl来决定。

  • Graphics Control Extension

数据为21 F9 04 00 00 00 00 00,这部分是89a的扩展内容，目的是支持透明度以及动态图。本例中的图片没有透明度及动画， 这两方面的内容可参考Transparency and Animation

  • extension introducer

固定为0x21

  • graphic control label

固定为0xF9

  • block size

总共的字节数,通常四个字节

  • Packed Filed

共1个字节,其中前三位保留，接下来的三位为disposal method, 用来制定切换到下一幅图像应该如何处理，共可表示0-7, 动画图像的值是 1，这表明解码器应该保持当前图像不变，并在其上绘制下一幅图像。如果是 2，就意味着画布应恢复到背景色；3 则表示画布应恢复到绘制当前图像之前的状态。 据我所知，这个值并不被广泛支持。对于 4 到 7 的值，其行为还没有定义。如果这个图像不是动画，这些位通常会被设为 0，表示没有特定的处理方法。

第7位是用户输入标志，当其为 1 时，表示解码器会等待用户输入才会切换到下一幅图像。不过，在大多数情况下，这个位的值会是 0。 最后一位是透明度标志。如果需要透明度，则需要设置为1,否则设置为0

  • delay time

用来控制动态图的帧率，单位是百分之一秒，即10毫秒。

  • Transparent Color index

透明颜色索引。指定哪个颜色为透明，哪个颜色就像涂了隐身药水变透明

  • Block terminator

块结束符号，通常00

  • Image Descriptor

数据为2C 00 00 00 00 0A 00 0A 00 00, 第一个字节是图像分隔符，每个图像描述符块都以 2C 作为起始值。接下来的 8 个字节用于表示随后图像的位置和大小。 一个 GIF 文件可以包含多幅图像。在最初的 GIF 设计中，这些图像是为了组合到一个更大的虚拟画布上。然而，如今多幅图像通常用于制作动画。 每幅图像都从同一个图像描述符块开始，本例中这个块的长度恰好为 10 字节。 在 GIF 中，图像并不一定要占据逻辑屏幕描述符定义的整个画布大小。因此，图像描述符块会指定图像在画布上的起始左边距和上边距位置。但现代的查看器和浏览器通常会忽略这些字段。 接下来，这个块会指定图像的宽度和高度。这些值都是使用两字节、无符号、小端格式表示的。我们的示例图像显示，图像从 (0,0) 开始，宽度和高度均为 10 像素（这意味着图像占据了整个画布）。

最后一个字节又是一个Packed Filed。在我们的示例文件中，这个字节是 0，因此所有的子值都将是零。

  • local color table flag 局部颜色表标志。将这个标志设置为 1 允许您指定随后的图像数据使用的颜色表与全局颜色表不同。

  • interlace flag 交错标志。交错改变了图像呈现在屏幕上的方式，可以减少令人讨厌的视觉闪烁,视觉闪烁的原因，又要追溯到上世纪模拟显示器的扫描方式。 交错在显示器上的效果是，先显示图像其中一部分，这样观众可以先看到一个模糊的图像，然后逐渐清晰，最后完全显示，也是在那个宽带极其有限的情况下的产物。 防止屏闪可以不考虑，因为现在的显示器不会有这个问题。关于显示效果举个例子一看就明白了，左边是顺序显示，右边是交错显示。

  • 其余sort flag, size of local color table 与前文描述一致，只不过是局域颜色表

  • Local Color Table

    与全局颜色表一致，需要local color table flag为1生效

  • Image Data

数据为02 16 8C 2D 99 87 2A 1C DC 33 A0 02 75 EC 95 FA A8 DE 60 8C 04 91 4C 01 00,

通常情况下这部分才是GIF最主要的内容，只不过我们举的例子太小了所这这部分内容较少， 需要说明的是这部分需要LZW编码。具体编码方案这里不做介绍。

  • Plain Text extension

数据内容为：21 01 0C 00 00 00 00 64 00 64 00 14 14 01 00 0B 68 65 6C 6C 6F 20 77 6F 72 6C 64 00。

GIF 89a标准允许在接下来的图像上添加文本标题。然而，这个功能并没有广泛流行；像 Photoshop 这样的浏览器和图像处理软件通常会忽略这一功能。 就像所有扩展块类型一样,这个块以扩展引入符开始,这个值总是 21。下一个字节是纯文本标签, 这个值 01, 用于将纯文本扩展与所有其他扩展区分开来。 接下来的字节是块大小,表示实际文本数据开始之前有多少字节，或换句话说现在可以跳过多少字节。 字节值可能是 0x0C，这意味着应该向前跳过 12 个字节。随后的文本被编码在数据子块中,当到达长度为 0 的子块时，该块结束。

  • Application extension

数据内容为:21 FF 0B 4E 45 54 53 43 41 50 45 32 2E 30 03 01 05 00 00, GIF89规范允许在 GIF 文件本身中嵌入特定于应用程序的信息。这种能力并没有得到广泛使用。 大约唯一已知的公开使用是就是前面提到的 Netscape 2.0 扩展，它用于循环播放动画 GIF 文件

  • Comment Extension

数据内容为:21 FE 09 62 6C 75 65 62 65 72 72 79 00

GIF89 规范中的最后一个扩展类型是评论扩展。这允许你在 GIF 文件中嵌入 ASCII 文本，通常用于添加图像描述、图像版权信息或其他人类可读的元数据，如图像捕获的 GPS 位置。 这个扩展的第一个字节是扩展引入符，编号为 21。接下来的一个字节总是 FE，代表评论标签。然后我们直接跳到包含评论 ASCII 字符代码的数据子块。 从例子中我们可以看到，这里有一个长度为 9 字节的数据子块。如果你将这些字符代码翻译出来，会发现评论内容是“blueberry”。 最后一个字节 00 表示一个没有后续字节的子块，标志着我们已经到达了这个块的末尾。

  • Trailer

数据内容为:3B

软件使用

首先是ffmpeg，尽管它是一个音视频框架，但是由于视频与动态图天然的联系，ffmpeg在n2.6版本(2015年)就对GIF做了支持， 尽管支持图片或者视频转为gif,但是如果原视频或者图片带有透明通道,转换后透明通道会丢失。这个功能直到n4.0(2017年）才开始支持。 所以ffmpeg版本低于4.0的linux发行版比如ubuntu18.04均无法转换带透明通道的GIF,需要更新ffmpeg版本或者使用更新的linux发行版。 不过尽管n4.0支持透明通道，但是转换效果并不好，会有部分透明边界问题，使用时还是推荐升级到最新版本。

在n4.0中，palattegen filter中开始添加透明通道

diff --git a/libavfilter/vf_palettegen.c b/libavfilter/vf_palettegen.c
index 03de317348..5ff73e6b2b 100644
--- a/libavfilter/vf_palettegen.c
+++ b/libavfilter/vf_palettegen.c
@@ -27,6 +27,7 @@
 #include "libavutil/internal.h"
 #include "libavutil/opt.h"
 #include "libavutil/qsort.h"
+#include "libavutil/intreadwrite.h"
 #include "avfilter.h"
 #include "internal.h"

@@ -74,6 +75,7 @@ typedef struct PaletteGenContext {
     struct range_box boxes[256];            // define the segmentation of the colorspace (the final palette)
     int nb_boxes;                           // number of boxes (increase will segmenting them)
     int palette_pushed;                     // if the palette frame is pushed into the outlink or not
+    uint8_t transparency_color[4];          // background color for transparency
 } PaletteGenContext;

 #define OFFSET(x) offsetof(PaletteGenContext, x)
@@ -81,6 +83,7 @@ typedef struct PaletteGenContext {
 static const AVOption palettegen_options[] = {
     { "max_colors", "set the maximum number of colors to use in the palette", OFFSET(max_colors), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=256}, 4, 256, FLAGS },
     { "reserve_transparent", "reserve a palette entry for transparency", OFFSET(reserve_transparent), AV_OPT_TYPE_BOOL, {.i64=1}, 0, 1, FLAGS },
+    { "transparency_color", "set a background color for transparency", OFFSET(transparency_color), AV_OPT_TYPE_COLOR, {.str="lime"}, CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
     { "stats_mode", "set statistics mode", OFFSET(stats_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=STATS_MODE_ALL_FRAMES}, 0, NB_STATS_MODE-1, FLAGS, "mode" },
         { "full", "compute full frame histograms", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=STATS_MODE_ALL_FRAMES}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
         { "diff", "compute histograms only for the part that differs from previous frame", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=STATS_MODE_DIFF_FRAMES}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
@@ -250,7 +253,7 @@ static void write_palette(AVFilterContext *ctx, AVFrame *out)

     if (s->reserve_transparent) {
         av_assert0(s->nb_boxes < 256);
-        pal[out->width - pal_linesize - 1] = 0x0000ff00; // add a green transparent color
+        pal[out->width - pal_linesize - 1] = AV_RB32(&s->transparency_color) >> 8;
     }
 }

使用ffmpeg转换图片并保留透明通道的方法：

ffmpeg -i input.gif -vf "split[s0][s1];[s0]palettegen[p];[s1][p]paletteuse" -gifflags +transdiff -y out.gif

#注意，只有vf部分是必须的，gifflags只是为了提高编码效率

其次可以使用imagemagick工具进行转换，此工具不仅支持gif动态图，还支持webp动态图， 比如使用imagemagick 6缩放gif则可简单使用：

convert input.gif -resize 300x200 out.gifflags

imagemagic 7版本命令方式有所改变，不过改变不大，这里不再详细讨论

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