《数据万象带你玩转视图场景》第一期：avif图片压缩详解

前言

随着硬件的发展，不管是手机还是专业摄像设备拍出的图片随便可能就有几M，甚至几十M，并且现在我们处于随处可及的信息海洋里，海量的图片带来了存储问题、带宽问题、加载时延问题等等。对图片信息进行有效的压缩处理无疑会极大的降低存储成本、流量压力，并且还能显著提升页面加载速度。

图片压缩指在图片质量保持不变的情况，尽可能的减小图片大小，以达到节省图片存储空间、减少图片访问流量、提升图片访问速度的效果。数据万象（Cloud Infinite，CI）产品推出了 AVIF 压缩功能，可将图片转换为 avif 格式，avif 是基于 av1 的一种全新图片格式，在2020年2月由 Netflix 首次公布于众，目前已支持 Chrome、Firefox 等浏览器。

AVIF技术原理

AVIF（AV1 image format）压缩格式，是采用 AV1 帧内编码的一种图像编码格式，是目前最新的图片压缩格式。AV1 是由开放媒体联盟（AOMedia）的成员共同推动研发的一个标准。而 AVIF 则是基于 AV1 编码产生的具有更高压缩能力、保留更佳画面细节的图形压缩格式，相比于其他格式，其帧内编码具有非常多的改进优化：

更灵活的编码树划分：引入更大的编码/变换块单元，编码单元尺寸可达128x128，划分方式更加灵活，多达10种。

更精细的帧内预测模式：56种角度模式，intra copy 调色板模式、帧内预测滤波CFL等使得帧内预测更为精确。

更先进的滤波技术：基于方向约束的增强滤波（CDEF），环路复原滤波(restoration)等有效改善了图像质量。

TXAV1图片编码器

数据万象所使用的 AVIF 压缩能力，底层编解码所使用的是腾讯自研的 AV1 编解码器——TXAV1 编码器。在2021年MSU比赛中，关于 AV1 的比赛指标，TXAV1 参加了29项，取得了28项领先，获得综合最佳。

腾讯作为AOM联盟的成员之一，一直致力于技术研发上的深耕，TXAV1 中包含了很多腾讯自研技术：

1、核心数据架构设计

AVIF的划分模式非常复杂，可能性非常多。为了更好的获取数据、减少重复计算和数据的拷贝，设计了一套以treeNode(方便获取节点属性信息，避免重复计算)，IdenticalCU(利用相同Cu计算结果，减少计算量)，和SwapBuffer（通过内存交替使用，减少拷贝和重算）为核心的数据架构。在算法和输出码流不变的情况下，为AVIF编码提速20%以上。

2、帧内快速CU，TU决策算法设计

以周边块的信息，包括划分尝试，划分模式，失真代价等，提前决策当前块是否继续划分。
以当前块的CU/TU或子CU/TU的信息为参考，提前终止当前划分。

3、帧内模式算法设计

采用多级帧内预测算法，通过简单估算，初步筛选出几个重要候选，然后做完整变换，再根据模式和代价补做角度和滤波，大幅加速帧内编码效率。

4、滤波快速算法

AV1中deblock，cdef，restoration等滤波耗时很高，通过对图像内容及参考图像的滤波使用情况分析，对当前帧的滤波进行搜索范围的缩小或跳过处理，从而大帧提前滤波的处理速度。

5、编码后处理滤波按行并行处理

在图片上可以提速50%。AV1的后处理滤波包括deblock，cdef，restoration等，deblock和cdef滤波的参数导出过程均依赖整帧的数据，这与HEVC标准中的基于块导出参数的过程有很大不同，不利于按行级并行处理；在TXAV1针对图片的优化中实现了基于部分图像进行参数导出，并针对图片优化了参数导出算法。

6、编码intra block copy优化，提速240%

intra block copy对一些游戏或者文字较多的图片收益很大，但intra block copy在搜索最优匹配块的过程中通常使用hash搜索，而对图片生成hash的过程耗时很长。因此在TXAV1的优化中，使用了网格运动搜索算法替换原有的hash搜索，并针对图片优化了网格搜索算法，最终优化后相对原有算法提速240%，压缩性能仅损失2.9%。在大幅加速的同时，保留了intra block copy大部分性能。

数据万象产出的 AVIF 图片效果对比

1、AVIF 图片视觉对比

以下面一张图作为例子说明 AVIF 图片的优势，保持图片分辨率不变，将图片分别转成 JPG，WebP，AVIF 格式。

从上面四张图可以看到，在经过压缩后，图片原有尺寸均不变的情况下，JPG格式的图片画质相对较差，房屋后面的云层变成大片的明显的色块色条；webp虽然没有出现色块，但整体颜色和原图相比有明显失真；avif格式的图形显示依旧平滑，体积也很小，效果明显优于JPG和WEBP。此时的AVIF相比无损PNG有约42倍的压缩性能,仍保留了原图数据的大部分细节，堪称完美。说明了avif有着更高的压缩效率，很好的保真效果。