GIF图像格式

你可能已经知道，GIF 是一种光栅图像文件格式，它在不损失图像质量的前提下提供压缩功能，并且支持动画和透明度。
GIF 是“Graphics Interchange Format（图形交换格式）”的缩写。由于其良好的兼容性以及在不同应用程序和操作系统之间的可移植性，这种格式变得非常流行。下面我们将深入了解 GIF 为什么如此通用，以及它的文件结构。同时，我们还会看看它的优点与缺点。

GIF 的结构

目前，GIF 文件有两个版本：87a 和 89a。前者是最初的 GIF 格式，而后者是更新版本。GIF89a 添加了一些新功能，如动画延迟、透明背景颜色、元数据存储等。

GIF 文件的简化结构由文件开头的固定区域组成，紧随其后的是若干个可变数量的数据块。固定区域包括三个部分：

• 头部（Header）：标明 GIF 的版本。

• 全局屏幕描述符（Global Screen Descriptor）：指定图像的尺寸。

• 全局颜色表（Global Color Table）：定义图像中使用的颜色。

文件以图像结束符（Trailer）结束。

GIF 文件结构

图像块（Image Block）中包含了压缩的图像数据等信息。GIF 以最多 8 位的像素编码，并使用 RGB 颜色模型和调色板。像素数据通过一种称为 LZW 的压缩算法进行压缩。GIF 的广泛使用在很大程度上得益于该算法。即使在过去网速较慢的年代，LZW 也能让大图像快速加载。

LZW 压缩算法

Lempel-Ziv-Welch（LZW）算法 由 Abraham Lempel 和 Jacob Ziv 提出，后由 Terry Welch 改进。这是一种无损压缩算法，意味着压缩过程中不会丢失任何信息。

它是一种基于字典的压缩方法，即在原始数据中使用一个“字典”来记录重复出现的序列。字典中的序列越长、重复越频繁，压缩效果就越好。

LZW 的核心思想是利用数据中的重复模式。算法在编码和解码过程中动态地构建一个字典。通常，字典中索引 0 到 255 表示单个字符，而大于 255 的索引表示编码过程中出现的多个字符组成的序列。

LZW 压缩的一般步骤如下：

1. 准备一个包含所有单字符序列的初始字典。

2. 查找当前输入中在字典中匹配的最长序列，将其替换为字典中的索引。

3. 将当前序列加上下一个输入字符，作为新条目加入字典。

4. 回到步骤 2。

注：下方的动画 GIF 展示了 LZW 编码过程的动画演示。

解码过程也很相似。它从压缩的数据流中提取索引，并重新构建出同样的字典。因此，不需要单独传输字典，节省了宝贵的空间。

使用 GIF 格式的优势

你可能知道，GIF 不仅可以存储静态图像，还支持动画。如今，网络聊天中的小动画和表情包几乎都使用 GIF 格式。

其次，GIF 非常适合色彩数量有限的图像，例如徽标（logo）。在这种情况下，LZW 压缩能够高效保存大块单一颜色区域和清晰边界。

最后，是透明度。在 GIF 中，某些帧可以将特定的调色板索引设置为“透明色”，这表示在动画中，该像素位置将使用上一个帧中相同位置的像素颜色。

GIF 的缺点

GIF 的一个主要缺点是色彩限制——每幅图像最多只能使用 256 种颜色。与 JPEG（可显示多达 1600 万种颜色）相比，这样的色彩范围显然捉襟见肘。虽然这种限制在 GIF 诞生时是合理的（因为当时的硬件无法显示太多颜色），但如今已经难以满足显示照片或渐变图像的需求。

另一个缺点是 GIF 没有 alpha 通道来实现真正的透明效果。像 PNG 这类格式支持 RGBA 模式（RGB 加上 A 通道），其中 A 表示每个像素的透明度。而 GIF 只能指定一个颜色为“透明色”，并使用这种方式模拟透明区域。这在精度和表现上都不如 alpha 通道。

总结

• GIF 文件结构：开头包括头部、全局屏幕描述符和全局颜色表。之后是若干图像块（含压缩图像数据），最后是文件结束符。

• 图像数据通过 LZW 算法 压缩，该算法在编码和解码时动态构建字典，不需要额外传输字典数据。

• 优势：适用于色彩数量较少的图像（如徽标）、支持动画和部分透明功能。

• 缺点：颜色数量限制为 256，且缺乏 alpha 通道支持，透明处理相对粗糙。