移动互联网实战--移动端音频和图形优化处理

前言:
　　移动端应用, 需要省电省流量(带宽), 大资源包对用户体验是有伤害的. 因此移动端开发需要精简资源(音频/图片), 但又要保证音频/图片质量. 本文着重讲述如何优化处理资源(音频/图片), 如何在高压缩比和高质量(音质/画质)之间进行折中和权衡. 本文涉及两大块, 一块为语音处理, 另一块为图像处理.

注: 本文主要面向移动端开发者, 利用编程去优化处理. 掺杂了小编(mumuxinfei)的不成熟观点和看法, 希望能抛砖引玉.

*) 样例阐释:
1. 构造应用场景
把常规Wav格式的音频文件, 转化为更小的Mp3格式音频文件.
样例代码借助JAVE(Java Audio Video Encoder)来实现. 请点击: JAVE官网.

File source = new File("data/source.wav");
File target = new File("data/target.mp3");

// *) 设置音频属性
AudioAttributes audio = new AudioAttributes();
audio.setCodec("libmp3lame");
audio.setBitRate(new Integer(128000));
audio.setChannels(new Integer(2));
audio.setSamplingRate(new Integer(44100));

// *) 解码器设置
EncodingAttributes attrs = new EncodingAttributes();
attrs.setFormat("mp3");
attrs.setAudioAttributes(audio);

Encoder encoder = new Encoder();
encoder.encode(source, target, attrs);

2. 效果展示
Wav格式转化为Mp3格式后, 实际大小对比如下所示:

Wav格式文件: 100044byte, Mp3格式文件: 18839byte
经过小编的亲身体验(试听), 立场坚定的表示音质无明显差别, 但文件压缩比却有明显的提升.
3. 疑惑和不解
虽然大获成功, 但是小编还是有些不解, 疑问一坨坨. -_-!!!
#) 音频文件中的比特率(bitrate), 声道(channel), 采样率(samplingrate)具体是什么?
#) 在文件压缩和音质中, 那个要素扮演更重要的角色? 是他, 是她, 还是它? 唉, 我的妈呀, 小编我傻傻分不清了.
小编手溅, 于是修改下代码, 取取不同的比特率/采样率值, 看看是否有惊喜会出现?

// *) 设置音频属性
AudioAttributes audio = new AudioAttributes();
audio.setCodec("libmp3lame");
//audio.setBitRate(new Integer(128000));
audio.setBitRate(new Integer(250000));
audio.setChannels(new Integer(2));
//audio.setSamplingRate(new Integer(44100));
audio.setSamplingRate(new Integer(40000));

我乐个大擦, "惊喜"出现了, -_-!!!!!!! 居然罢工, 还抛异常, 抛,抛,抛,抛你妹啊.....

Exception in thread "main" it.sauronsoftware.jave.EncoderException: Error while opening codec for output stream #0.0 - maybe incorrect parameters such as bit_rate, rate, width or height

小编不由得困惑了, 莫非比特率和采样率有某种神秘的关系? 你看, 他两结尾都带个了‘率‘字, 而且读起来又都那么朗朗上口? 搞基不(MD, 不小心说出了心里话)? 算了, 其实小编内心还是小小期待下, oh yeah.
And 疑惑继续....
#) 比特率和采样率的取值是否有一定的限制?
#) 比特率和采样率究竟存在怎么样关系呢?

*) 基础知识
真是好奇心害死猫, 小编带着这些疑团去知(姿)识(势)渊(丰)博(富)的百度君.

小编: 百度君,你好,你能给我们介绍下音频文件中的比特率(bitrate), 声道(channel), 采样率(samplingrate)具体是什么?
百度君: #%~!@#$%^&*()~&(@!*^!@&*^*&%(*%&^%^$~!*)()*)@&(*^@#(*^(!&(!^(

小编(怒): 讲人话......
百度君:
　　　　音频文件有三个重要的属性描述: 采样率(samplingrate)/比特率(bitrate)/声道(channel)
　　　　#)比特率：音频数据每秒中需要多少个比特来表示,比特率越高音频质量越好, 文件也越大.
　　　　#)采样率：采样率定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，用赫兹（Hz）来表示.
　　　　#)声道：声道分单声道, 双声道两种, 单声道是混合均匀从左右声道出来, 而双声道则是从不同声音
　　　　　　　　从左右声道出来并合成, 现场立体感强.
小编(内心)：哼，百度君果然吃软怕硬，不过好像说的好专业，不明觉厉．

小编：那请问比特率和采样率的取值有限定吗？
百度君：
　　　　#) 比特率取值
　　　　比特率取值: 32kbps/96kbps/128kbps/192kbps/224kbps/320kbps
　　　　#) 采样率的取值
　　　　44.1kHz系列采样: 11.025kHz, 22.05kHz, 44.1kHz, 88.2kHz, 176.4kHz
　　　　48kHz系列采样: 12kHz, 24kHz, 48kHz, 96kHz, 192kHz
小编(内心)：这下长见识了，以后叫你还抛，抛，抛不了你妹了，娃哈哈, 喂, 说你呢? 看什么看, 还看!!!!

小编：那请问，这个44.1kHz有特殊来由吗?
百度君:人类的听觉波段在20Hz到20kHz, 由Nyquist采样定理, 采样评率只要超过信号带宽2倍就不会产生混迭. 而实际上音乐CD规范则采用44.1kHz(20kHz两倍多)做为采样标准. 因此44.1kHz和人类的可听波段有一定的关联.

激动人心的时候, 终于要来了, 此时空气仿佛凝固了....

小编(喜): 那比特率君和采样率君究竟有何奸情呢? (啊呸, 竟然不小心说漏嘴了......)
百度君: 两个维度,互不影响. 简而言之, 比特率用于音频编码过程中, 而采样率用于语音播放中. 比特率与音质成正比, 文件大小成反比. 而采样率只与音质成正比.

天空一行乌鸦飞过, 哇哇哇.....

小编(内心): 这TM是玩我吗? 搞得这么亲热, 还一直形影不离, 最后竟然告诉我,他俩没半毛钱的关系, 这谁信啊!!!!!!
小编(失落): 真是个意外的结果, 万万没想到, 这个世上还是有纯粹的友谊存在, 不管你信不信, 反正我是信了.

唉, 突然觉得菊花好痒......

*) 进阶篇
1). 查阅音频文集元信息
如何借助JAVE来实现, 代码片段如下:

MultimediaInfo info = encoder.getInfo(target);
System.out.println(info);

Console 结果输出如下:

(decoder=pcm_s16le, samplingRate=22050, channels=2, bitRate=705)

评注: 解码器为: pcm_s16le, 采样率: 22.05kHz, 双声道, 比特率705Kbps
2). 尝试把Wav转化为各个比特率的Mp3格式

采样率/比特率	24kbps	48kbps	96kbps	192kbps
11.025kHz	3792	7554	15077	--
22.05kHz	3636	7241	14451	--
44.1kHz	--	7084	14137	28243

 评注: 比对横向/竖向, 可以看到文件大小与比特率相关, 而采样率和比特率之间有一定的组合限定.

3). 尝试把Wa转化为各个解码器的音频格式
音频的解码器, 取决于音频格式, 简单罗列下:

mp3 => libmp3lame
ogg => vorbis
wav => pcm_s16be/pcm_s16le/pcm_s24le
3gp => libfaac

更多的解码器, 请点击: 官网 
在相同条件(比特率:24kbps, 采样率:22.05kHz, 双声道)

音频格式	mp3	ogg	wav	3gp
文件大小	3636	6586	100044	2668

当在相同条件(比特率:48kbps, 采样率:44.1kHz, 双声道)

音频格式	mp3	ogg	wav	3gp
文件大小	7084	8722	199980	5177

评注: 可以看出, 同等条件下文件大小: 3gp < mp3 < ogg << wav, 但文件压缩比高不代表好, 最终需要在压缩比/音质取个折中

图像处理
　　移动端对图片格式的选择: 主流为PNG/JPEG格式. PNG它兼具JPG图片的质量和GIF格式的透明, 文件大小较JPEG大. JPEG格式画质好, 色彩和饱和度高, 文件相对相对较小. 因此一般有如下实践原则: 小尺寸, 色彩数小或使用到透明的时候用PNG, 大尺寸, 色彩渐变色多的时候用JPG.
　　移动端的图片优化包括两方面, 一块为图片格式转换, 一块为图片像素大小调整.
代码片段:

public void convertImage(String sourceFile, String destFile, int newWidth, int newHeight) {

　　// *) 假定传入destFile, 都是 *.jpg, *.png 的命名方式, 这边不做检查处理
　　String format = destFile.substring(destFile.lastIndexOf(‘.‘) + 1);

　　try {
　　　　Image srcImage = ImageIO.read(new File(sourceFile));

　　　　// *) 绘制源图像到目标图像
　　　　BufferedImage destImage = new BufferedImage(newWidth, newHeight, BufferedImage.TYPE_3BYTE_BGR);
　　　　Graphics2D g2 = (Graphics2D) destImage.getGraphics();
　　　　g2.drawImage(srcImage, 0, 0, newWidth, newHeight, null);

　　　　// *) 生成目标图像 
　　　　ImageIO.write(destImage, format, new File(destFile));
　　} catch (IOException e) {
　　　　e.printStackTrace();
　　}

}

评注: 这段代码能实现jpg=>png, jpg=>gif, jpg=>bmp, png=>jpg的转换, 同时实现不同分辨率的图像转换

实验比较, 原图如下(秀福利)

文件大小比对如下:

图片格式	JPG	PNG	GIF	BMP
文件大小	19.0KB	267.9KB	48.7KB	386.8KB

对比可以发现, 等同像素下, 图片文件大小为 jpg < gif < png < bmp

继续实验, 把大分辨率图像转化为小分辨率(主流分辨率)图像, 压缩率有多少

分辨率	1600*1200	1280*1024	1080*960	960*540	854*480
文件大小	251.7KB	188.8KB	157.7KB	90.3KB	74.7KB

如果想更深入的对图像质量进行控制, (比如jpg图像质量, 默认缺省质量为0.75):
代码片段如下:

public void convert2JPGImage(String sourceFile, String destFile, int newWidth, int newHeight, float quality) {

　　FileOutputStream out = null;
　　try {
　　　　Image srcImage = ImageIO.read(new File(sourceFile));

　　　　// *) 绘制源图像到目标图像
　　　　BufferedImage destImage = new BufferedImage(newWidth, newHeight, BufferedImage.TYPE_3BYTE_BGR);
　　　　Graphics2D g2 = (Graphics2D) destImage.getGraphics();
　　　　g2.drawImage(srcImage, 0, 0, newWidth, newHeight, null);

　　　　// *) 生成目标图像, 借助com.sun.image.codec.jpeg.JPEGImageEncoder来实现
　　　　out = new FileOutputStream(destFile);
　　　　JPEGImageEncoder encoder = JPEGCodec.createJPEGEncoder(out);
　　　　JPEGEncodeParam jep = JPEGCodec.getDefaultJPEGEncodeParam(destImage);
　　　　jep.setQuality(quality, true);
　　　　encoder.encode(destImage, jep);
　　} catch (IOException e) {
　　} finally {
　　　　if ( out != null ) {
　　　　　　try {
　　　　　　　　out.close();
　　　　　　} catch (IOException e) {
　　　　　　}
　　　　}
　　}

}

总结:
　　移动端开发需要一定的音频/图片优化技巧, 对资源类的app而言, 这一点就特别的重要. 文件压缩比不是越高越好, 对高音质/高画质的追求会付出一定的代价.总而言之: 没有完美的解决方案, 只有永恒的折中.