庖丁解牛：GIF

GIF是一種使用LZW壓縮，支持多張圖像的容器。支持256色，透明通道為1bit。作為互聯(lián)網(wǎng)表情包的載體，GIF這項80年代的技術(shù)依然生生不息。
但它的弊端也是顯而易見的：易出現(xiàn)毛邊，色彩表現(xiàn)低劣，文件壓縮比不高。針對這些問題，Mozilla發(fā)布了APNG來代替老舊的GIF技術(shù)，同時許多開源組件也用WebP格式來代替GIF。

GIF在iOS的尷尬處境

長久以來，iOS一直被吐槽不能用GIF。造成這一局面的主要原因是：

• iOS關(guān)于照片的場景不會自動播放GIF,也沒有角標。
• 一些應(yīng)用將GIF視為靜態(tài)圖像去操作，導(dǎo)致用戶保持了一個GIF后，結(jié)果應(yīng)用將其保存成JPG。
• iOS只能通過imageI/O去操作GIF數(shù)據(jù)，UIKit對其絕緣。

GIF的存儲結(jié)構(gòu)

由于歷史的原因，GIF有兩個版本，但它們的文件結(jié)構(gòu)是一樣的，都是由不同用途的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成，可分為控制塊和數(shù)據(jù)塊。控制塊里是決定GIF表現(xiàn)的參數(shù)，數(shù)據(jù)塊里的數(shù)據(jù)由前面的控制塊里的參數(shù)來解釋。
一個GIF文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：

GIF結(jié)構(gòu)

Header：包含文件簽名與版本號。
Trailer: 文件結(jié)束標識符。
GIF Data: Header 與 trailer 之間就是GIF文件的數(shù)據(jù)。
我們從一個簡單的GIF圖入手，它包含兩張圖像：

這是它的十六進制數(shù)據(jù),我用顏色區(qū)分了不同的數(shù)據(jù)塊：

Paste_Image.png

Header

GIF文件的開頭是 Header 數(shù)據(jù)塊，長度為6字節(jié)，ASCII值為“GIF87a”或"GIF89a",前三位為GIF簽名，后三位為不同年份的版本號。

Paste_Image.png

利用這點，在iOS中判斷二進制文件是否為GIF時，可以簡單去判斷它的前四位是否是"GIF8"。事實上絕大多數(shù)圖像都可以用文件簽名來判斷類型。

GIF 內(nèi)容

GIF數(shù)據(jù)包含多個數(shù)據(jù)塊，其結(jié)構(gòu)如下:
邏輯屏幕描述符

0A000A00 B30000

這一數(shù)據(jù)塊由7個字節(jié)組成，前四個字節(jié)分別是圖像渲染區(qū)域的寬高。GIF的數(shù)據(jù)是按照大端序存儲的，0x0A00為10，所以這個GIF的寬高均為10。
接下來是一個壓縮字節(jié)，第一個 Bit 為標志位，表示全局顏色列表是否存在。接下來三個Bit表示圖像調(diào)色板中每個顏色的原色所占用的Bit數(shù)，011表示占用4個Bit，111占用8個Bit，以此類推。調(diào)色板最多只包含由24-Bit顏色中選出的256個顏色（實際有很多優(yōu)化方案能提高顏色分辨率，如加入局部調(diào)色板）。第五個Bit為標志位，表示顏色列表排序方式。若為1，表示顏色列表是按照顏色在圖像中出現(xiàn)的頻率降序排列。隨后三個Bit表示全局顏色列表的大小，計算方法是2^N+1 ，其中N為這三個Bit的二進制數(shù)值。
第六個字節(jié)是表示背景色在全局顏色列表中的索引，若無全局顏色列表則此字節(jié)無效。在GIF的圖像數(shù)據(jù)中，沒有被指定顏色的像素會被背景色填充。
最后一個字節(jié)是像素的寬高比，大多數(shù)時候這個值都是0，若值為N, 則圖像的寬高比：

aspectRatio = (pixelAspectRatio + 15) / 64

全局顏色列表

000000 80000000 80008080 00000080 80008000 8080C0C0 C0808080 FF000000 FF00FFFF 000000FF FF00FF00 FFFFFFFF FF

由前面的邏輯屏幕描述符可知，全局顏色列表的大小是16，每個顏色占三個字節(jié)，按照RGB排列，所以它占有48個字節(jié)。數(shù)據(jù)流中，顏色是按照列表中的索引存儲的。
應(yīng)用程序擴展

21FF0B 4E455453 43415045 322E3003 01000000

GIF中擴展塊都以0x21開始，后一個字節(jié)是擴展標簽，標識擴展用途。
應(yīng)用程序擴展的標簽是0xFF，它包含有應(yīng)用程序的標識信息和應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。其中 Netscape 應(yīng)用程序擴展常用于控制GIF的動畫循環(huán)次數(shù)。Netscape 擴展長19個字節(jié)，前14個是應(yīng)用程序的ACSII信息，后四個是數(shù)據(jù)子塊，用于指定GIF的循環(huán)次數(shù), 按無符號整型存儲，0表示無限循環(huán)。

圖形控制擴展

21F90409 32000F00

圖形控制擴展塊屬于"89a"版本的定義。它在一個圖像數(shù)據(jù)塊的最前端，用來指定圖像的透明度與動畫屬性。圖形控制擴展的開端兩字節(jié)是0x21F9，其中0x21表示這是一個擴展，F(xiàn)9表示擴展用于圖形控制。第三個字節(jié)是塊大小(它到結(jié)束符之間的數(shù)據(jù))。第四個字節(jié)是壓縮字段，前三個Bit保留，四到六Bit是disposal method。第四、五個字節(jié)是圖像控制擴展后面的圖像的動畫時間，以無符號整型存儲。第六個字節(jié)是透明色索引，之后是塊結(jié)束符0x00。

圖像描述符

2C000000 000A000A 0000

圖像描述符位于GIF中每一個圖像數(shù)據(jù)的前端，由0x2C開始，長度為10個字節(jié)。第一個字節(jié)是圖像描述符的標識0x2c，后面八個字節(jié)表示圖像的frame（left, top, width, height），用來在動畫中局部更新圖像。最后一個是壓縮字節(jié)，主要是關(guān)于局部顏色列表的信息，其中第二個Bit表示圖像的存儲方式是交織還是連續(xù)。

041C 1080472B 0549DA9B BAAE58E7 4D4F288E E629A519 697E1C0C 92DB1301 00

GIF的圖像數(shù)據(jù)是經(jīng)過LZW壓縮的二進制流，通過解碼可以將其按照顏色列表中的顏色進行像素填充。第一個字節(jié)是LZW最小編碼大小，用來進行數(shù)據(jù)解碼。第二個字節(jié)是圖像數(shù)據(jù)的大小，之后的都是圖像數(shù)據(jù)，直到塊結(jié)束符。
結(jié)束符

3B

GIF的動畫原理

GIF動畫的循環(huán)次數(shù)是由應(yīng)用擴展來控制的，而GIF動畫每一幀的過渡方式是由圖形控制擴展控制,圖像描述符控制圖像繪制的區(qū)域。
圖形控制擴展中控制動畫的參數(shù)分別是：disposal method，user input flag，delay time，transparency color。

disposal method
disposal method占3Bit，能夠表示0-7。

• disposal method = 1

解碼器不會清理畫布，直接將下一幅圖像渲染上一幅圖像上。

• disposal method = 2

解碼器會以背景色清理畫布，然后渲染下一幅圖像。背景色在邏輯屏幕描述符中設(shè)置。

• disposal method = 3

解碼器會將畫布設(shè)置為上之前的狀態(tài)，然后渲染下一幅圖像。

• disposal method = 4-7

保留值

user input flag
當user input flag為1時，GIF會在有用戶輸入事件（鼠標、鍵盤）時才會過渡到下一幅圖像。

delay time
delay time占兩個字節(jié)，為無符號整數(shù)，控制當前幀的展示時間，單位是0.01秒。

transparency color
如果圖形控制擴展的透明色標志位為1，那么解碼器會通過透明色索引在顏色列表中找到改顏色，標記為透明，當渲染圖像時，標記為透明色的顏色將不會繪制，顯示下面的背景。

圖像渲染區(qū)域
GIF中圖像描述符指定了當前幀需要渲染的區(qū)域，這樣GIF的過渡動畫就只用繪制兩幀之間不同的區(qū)域，前提是diposal method的值為1。

實驗

根據(jù)上面的知識，將第一幀的圖形控制擴展改為：

21F90409 0A000900

這里將透明色改成了紅色（紅色在全局顏色列表中的索引是9），并將delay time改為0.1秒。修改完的GIF為：