JPEG 怎么你了：高效率存档输出照片

仅用 PSNR 和少量的图片样本评价编解码和视觉表现是相当局限的，结论需要更多的测试以验证。

输出格式

长期以来，在摄影软件里能选的输出格式为 JPEG，TIFF 等。我最常使用的输出格式便是软件中能选到的最高质量的 JPEG，仅在需要打印等情况下用 16bit TIFF。

这样方案的缺点是：最高质量的 JPEG 也存在一定的有损压缩（与 TIFF 对比，PSNR 在 48dB 左右），文件体积比较大，位深度也只有 8bit，如果要作为一种“存档”目的的数字母版，似乎规格有点太低。而选择 16bit TIFF 的话，虽然可以做到无损和高位深，但动辄百兆的体积有些不可接受。

现在有这么多的先进编码格式，是否可以用 JPEG-XL 或 AVIF 来改变这一情况？经过一些简单的图像质量评价和文件体积测试，我决定在未来一段时间采取如下的图片存档方案：

高效图片压缩

流程图中的文件体积和 PSNR 使用一张 3840 长边的照片测试得到的，相机得到的照片体积一般会更大些。

母版的选择：JPEG-XL

图中，从左到右是从图片编辑软件出发，逐渐降低质量和文件体积，到存档和分享的过程。

图片编辑软件最常见的高规格输出是 16bit TIFF，而 JPEG-XL 支持 16bit 位深，虽然无损压缩模式的压缩率不够理想（大约 1.5:1），但只要能接受一点点有损压缩，就能实现非常高的压缩率。

在 JPEG-XL 中，使用类似锥响应的 XYB 空间中的距离（distance）来衡量图像质量，distance 为 1 时，表示一个 JND（恰可察觉差）单位，在 JPEG-XL 中被描述为“视觉无损”。尽管 distance 为 1 时的压缩率非常诱人，有时甚至能达到 40:1，但此时的图像质量不如以往最大质量的 JPEG，PSNR 在 42dB 左右，我们的新时代数字母版在图像质量上总不能比之前还菜吧。

为了平衡压缩率和图像质量，调试出的 distance 大约会在 0.1-0.3 之间，这样能够实现高位深下，在图像质量上超越之前最大质量的 JPEG，文件体积缩小到原本的 50% 以下。例如一张图片，JPEG 和 JXL 的对比如下表：

格式	distance	文件体积	PSNR
JPEG	-	26.0 MB	48.6 dB
JPEG-XL	0.1	22.9 MB	52.9 dB
JPEG-XL	0.2	15.2 MB	49.7 dB
JPEG-XL	0.3	11.7 MB	47.9 dB

因此，新流程的母版格式是：一个高质量的 JPEG-XL，用于代替原本的 TIFF，在无损和视觉无损之间的质量时，文件体积仅为 TIFF 的不到 1/10，还比原本的 JPEG 小 50%。

为什么不 AVIF

如果单纯衡量 PSNR，AVIF 在相同质量下比 JPEG-XL 有更小的文件体积。在存档这一步时不选择 AVIF 的原因是位深。AVIF 本身支持 8，10，12 三种位深度，可以通过编码 12 和 8bit 两帧来实现 16bit 位深度。虽然编辑后的图像量化成 16 还是 12bit，甚至是 10bit，观看起来都没有区别，包括未来一段时间内显示终端也都只会停留在 8bit，但从存档和“洁癖”的角度，我还是希望有一个 16bit 位深的母版，至少听起来很爽。

作为对比，也使用一张图来测试：

AVIF 在 10bit 下实现 56.78dB PSNR 时，文件体积为 10.02MB。JPEG-XL 实现基本相同的 PSNR 时，文件体积略大，为 10.79MB。
AVIF 在 10bit 下实现 51.506dB PSNR 时，文件体积为 5.51MB。JPEG-XL 实现略低的 51.427dB PSNR 时，文件体积略大，为 7.19MB。

需要注意的是，这个结果仅有一张图测试，也许是 AVIF 更适合这张图的特性，且 PSNR 也不是一个特别好的评价指标。不过 AVIF 在稍低码率下的优势是得到了广泛共识的，在非常接近无损的情况下，AVIF 的性能则接近或略逊于 JPEG-XL。

不过得益于 AVIF 优秀的浏览器兼容性和强大的低码率性能，它将成为分享时的首选格式。

关于 AVIF 的 16bit 模式，编解码用法如下：

avifenc --depth 12,8 --lossless input.png output.avif
avifdec --sato -d 16 output.avif decode.png

AVIF 的无损模式非常糟糕，这个 16bit 模式也很一般，有损压缩时，相同 PSNR 下，JPEG-XL 体积是 AVIF 的 1/4 到 1/9。

二次压缩

数字母版听起来很美好，又小又厉害，但毕竟存在压缩，不希望影响到下一步的分享和使用。

实际使用中，还需要从母版导出用来分享的 JPEG 等格式，意味着我们需要对已经被压缩过的 JPEG-XL 再做一次压缩。这样的二重压缩会带来额外的损失，由于第一步时非常接近无损，还有从高位深到低位深带来的额外冗余。经过测试，二次压缩得到的 JPEG 或 AVIF 能够比较接近从 TIFF 直接压缩得到的 JPEG 或 AVIF。使用相同的压缩质量，相比 TIFF 的 PSNR 的降低在 1-2 dB，且随着压缩幅度的增加，差距会逐渐缩小，例如二次压缩到 AVIF 时，质量设置为 80，TIFF 获得的 AVIF PSNR 为 40.67dB，而从 JPEG-XL 二次压缩获得的 AVIF PSNR 为 40.59dB。

遗憾的是，如果原本的流程是直接输出最高质量的 JPEG，现在的流程是先输出 JPEG-XL，再用最高质量输出到 JPEG，新的 JPEG 一定比之前的 JPEG 质量略差。

但如果以前的输出流程不是最高质量的 JPEG（我有时候为了省些体积，会选择 90 或 95 的质量），那么现在的流程中，在二次压缩到 JPEG 时选择 95 或 100 的质量，得到的 JPEG 质量就会比原本的 JPEG 高。

目前，我采用的两种二次压缩格式分别是 JPEG 和 AVIF，JPEG 为了最大的兼容性（比如安卓手机），AVIF 则用在 iPhone 以及网络用途。AVIF 的质量设置通常在 70-85 之间，4K 照片的体积在 1-2 MB，比如博客中的大多数照片都是这个规格。

如何用起来？

ACR 和 Lightroom

如果你常用 ACR 或 Lightroom，在导出时就已经可选这些先进格式了。ACR 把质量选项重新映射了一遍，给用户展示的是 0-12 个等级，13 为无损。

经过少量的测试，等级 12 的 JPEG-XL 大约对应 distance 0.1，等级 10 大约是 0.6。可以尝试等级 11 或 12 的 JPEG-XL 来生成母版文件。

AVIF 方面，等级 12 的 Quality 非常高，PSNR 比等级 12 的 JPEG-XL 还要高不少，大致相当于 distance 0.035 的 JPEG-XL，等级 11 则比较接近等级 12 的 JPEG-XL。更低质量的 AVIF 则可做分享用途。

ACR 中的 JPEG 即使选到最高等级，也不如 Capture One 或其他编码器设置成 100 的质量，PSNR 略低 3dB，文件体积也会小一些。

Capture One

像 Capture One 这种格式支持比较少的（甚至不支持 16bit PNG），则要通过 TIFF 中转一下。

先保存无损的 TIFF，然后转码为 PNM 格式，这是一种约等于裸码值的无压缩格式，也可以是 PNG，这一步的目的是让 libjxl 的例程读取，然后运行：

cjxl input.pnm output.jxl -d 0.2

即可完成 JPEG-XL 的压缩，如果需要 EXIF 的话，要额外加一步从 TIFF 搬运到 JPEG-XL 的过程。

从 JPEG-XL 到 AVIF 的转换也类似，推荐使用 PNG 作为中间格式。

djxl input.jxl output.png
avifenc -d 10 -q 80 output.png output.avif

当然也可以直接修改和编译 libjxl 和 libavif 实现更高效的转换。

短暂的拥抱未来

这个方案已发现不少问题，我希望给他一些时间，先真实的用起来，逐步发现改进之处，至少能短暂的拥抱一下未来。

以下是遇到的一些问题和思路：

JPEG-XL 的编码速度：libjxl 纯编码速度在 M1 Pro 上大约为 10 MP/s，也就是一张 30 MP 的照片大约需要 3 秒，再加上一些额外的 IO 开销，有优化的空间。
在 macOS 上，打开一个有很多 JPEG-XL 文件的文件夹时，需要一些时间来生成预览图。尝试通过嵌入一个很小的 JPEG 预览图来解决。
JPEG-XL 的兼容性差，作为母版格式，兼容性差点也可以理解，但还是希望随着时间的推移，JPEG-XL 能够被更多的应用和系统支持。
HDR 支持，涉及这么多不同的图像格式，要在它们之间实现转换，还保留 HDR 信息，估计会比较麻烦。设想一下，如果真的需要输出 HDR，16 bit 搭配 PQ 应该也足够用。
广色域支持，有想过在母版这一层换成 P3 甚至 2020 色域，但需要在转码为分享格式的步骤引入色彩管理和色域变换。