Android图片编码机制深度解析（Bitmap，Skia，libJpeg）
问题
工作中遇到了Android中有关图片压缩保存的问题，发现这个问题还挺深，而且网上资料比较有限，因此自己深入研究了一下，算是把这个问题自顶至下全部搞懂了，在此记录。
相关的几个问题如下：
1.Android系统是如何编码压缩保存图片的？
2.Skia库起到的作用？
3.libJpeg库起到的作用？
4.能不能自己调用Skia或libJpeg？
解答
一谈到Android上的图片压缩保存，基本都会想到android.graphics.Bitmap这个类，它提供了一个非常方便（事实上也只有这一个）的方法：
public boolean compress (Bitmap.CompressFormat format, int quality, OutputStream stream)
这个方法可以把当前的bitmap，根据参数提供的压缩格式（JPEG、PNG、WEBP）和压缩质量，将压缩好的数据输出到指定的输出流中。再跟进到这个函数中，发现如下代码，ok，又进入了神秘的native层，只能查看android的源码了
public boolean compress(CompressFormat format, int quality, OutputStream stream) {
checkRecycled("Can't compress a recycled bitmap");
// do explicit check before calling the native method
if (stream == null) {
throw new NullPointerException();
}
if (quality < 0 || quality > 100) {
throw new IllegalArgumentException("quality must be 0..100");
}
return nativeCompress(mNativeBitmap, format.nativeInt, quality,
stream, new byte[WORKING_COMPRESS_STORAGE]);
}
在源码中的\frameworks\base\core\jni\android\graphics\Bitmap.cpp我发现了nativeCompress这个方法实际对应的C++函数，
static bool Bitmap_compress(JNIEnv* env, jobject clazz, SkBitmap* bitmap,int format, int quality,object jstream, jbyteArray jstorage)
ok，这时大致可以回答第二个问题了——Skia库起到的作用。上层的compress函数其实最终调用的就是Skia的Bitmap_compress函数，java这层基本上啥也没做，99%的工作都是在native中调用skia库中的函数完成的。再解释一下这个函数的各个参数。其中，前两个参数是JNI函数必带的，bitmap是SkBitmap类型指针，在创建该Bitmap时分配。Format是压缩格式，有JPEG、PNG和WEBP三种。quality是压缩质量，0-100的整数。jstream是从java层传过来的输出流，用来将压缩好的图片数据输出，Jstorage是用于native层压缩类和输出流之间传递数据的。
接下来继续分析一下Bitmap_compress函数的内部,代码很好理解，而且大部分我都加了注释，
static bool Bitmap_compress(JNIEnv* env, jobject clazz, SkBitmap* bitmap,
int format, int quality,
jobject jstream, jbyteArray jstorage) {
SkImageEncoder::Type fm; //创建类型变量
//将java层类型变量转换成Skia的类型变量
switch (format) {
case kJPEG_JavaEncodeFormat:
fm = SkImageEncoder::kJPEG_Type;
break;
case kPNG_JavaEncodeFormat:
fm = SkImageEncoder::kPNG_Type;
break;
case kWEBP_JavaEncodeFormat:
fm = SkImageEncoder::kWEBP_Type;
break;
default:
return false;
}
//判断当前bitmap指针是否为空
bool success = false;
if (NULL != bitmap) {
SkAutoLockPixels alp(*bitmap);
if (NULL == bitmap->getPixels()) {
return false;
}
//创建SkWStream变量用于将压缩后的图片数据输出
SkWStream* strm = CreateJavaOutputStreamAdaptor(env, jstream, jstorage);
if (NULL == strm) {
return false;
}
//根据编码类型，创建SkImageEncoder变量，并调用encodeStream对bitmap
//指针指向的图片数据进行编码，完成后释放资源。
SkImageEncoder* encoder = SkImageEncoder::Create(fm);
if (NULL != encoder) {
success = encoder->encodeStream(strm, *bitmap, quality);
delete encoder;
}
delete strm;
}
return success;
}
如之前所说，该函数调用来skia的encodeStream函数来对图片进行压缩编码。接下来大致介绍一下skia库。
Skia 是一个 c++实现的代码库，在android 中以扩展库的形式存在，目录为external/skia/。总体来说skia是个相对简单的库，在android中提供了基本的画图和简单的编解码功能。另外，skia 同样可以挂接其他第3方编码解码库或者硬件编解码库，例如libpng和libjpeg。在Android中skia就是这么做的，\external\skia\src\images文件夹下面，有几个SkImageDecoder_xxx.cpp文件，他们都是继承自SkImageDecoder.cpp类，并利用第三方库对相应类型文件解码，最后再通过SkTRegistry注册，代码如下所示，
1 static SkTRegistry<SkImageDecoder*, SkStream*> gDReg(sk_libjpeg_dfactory);
2 static SkTRegistry<SkImageDecoder::Format, SkStream*> gFormatReg(get_format_jpeg);
3 static SkTRegistry<SkImageEncoder*, SkImageEncoder::Type> gEReg(sk_libjpeg_efactory);
至此，第一个问题也得到了解答，Android编码保存图片就是通过Java层函数——Native层函数——Skia库函数——对应第三方库函数（例如libjpeg），这一层层调用做到的。Android真是做到了“善假于物也”。
接下来分析第三方库中究竟是如何对位图(Bitmap)编码。由于工作中只涉及到了jpeg编码，因此我仅研究了Android中libjpeg中的编码方式，以及和标准libjpeg的区别。在\external\jpeg文件夹下面是google用于编译libjpeg.so库的代码和配置文件。需要注意的是，这份代码和libjpeg提供的标准版6b版本（http://sourceforge.net/projects/libjpeg/files/libjpeg/6b/）是不同的。我大致比较过两份代码的区别：主要是Android版修改/添加了一些额外的支持，
1.Android版本修改了内存管理方式，使用自己的方式。
2.Android版添加了把压缩数据输出到输出流的支持。
接下来讲一下libjpeg压缩图片的流程，这部分网上的资料就非常多了，因为libjpeg是个跨平台的开源库，只要有代码，不仅在Android系统，其他系统上依然可以编译出库。整个流程非常简单，直接上代码和注释
//声明一些在压缩时需要的变量，jerr用于错误控制
struct jpeg_compress_struct cinfo;
struct jpeg_error_mgr jerr;
cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
jerr.output_message=android_output_message; //使用自定义的日志输出函数，不是必须的
jerr.error_exit=myjpeg_error_exit; //使用自定义的错误退出函数，不是必须的
jpeg_create_compress(&cinfo); //创建libjpeg的压缩结构体 cinfo.image_width = width; //设置被压缩图片的宽、高、通道数和色彩空间
cinfo.image_height = height;
cinfo.input_components = 3;
cinfo.in_color_space = JCS_RGB;
FILE * outfile; //创建文件变量用于指定压缩数据的输出目标
if ((outfile = fopen(imgPath, "wb")) == NULL) {
fprintf(stderr, "can't open %s\n", imgPath);
exit(1);
}
jpeg_set_defaults(&cinfo); //对cinfo做一些默认设置
jpeg_stdio_dest(&cinfo, outfile); //将之前的outfile作为输出目标
jpeg_set_quality(&cinfo,quality,TRUE); //设置压缩jpeg图片的质量
jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE); //开始压缩
unsigned char * srcImg=(unsigned char *)imageData; //逐行的获取图像数据，进行压缩处理
while (cinfo.next_scanline < cinfo.image_height) {
JSAMPROW row_pointer[1]; /* pointer to JSAMPLE row[s] */
row_pointer[0] = srcImg;
(void) jpeg_write_scanlines(&cinfo, row_pointer, 1);
srcImg+=widthStep;
}
//压缩保存完毕，对使用到的变量进行销毁
jpeg_finish_compress(&cinfo);
jpeg_destroy_compress(&cinfo);
至此，第三个问题也可以回答了，真正干活（对图像进行编码压缩）的才是libjpeg。
最后，说一下最后一个问题。理论上，是可以自己调用skia和libjpeg库函数的。有两种方式，一种是通过自己获取源代码，编译出自己的skia或libjpeg库，然后使用。这种做法也是网上写的最多的，优点是自己可以随意改代码，想怎么编码怎么编码，灵活度比较大，缺点就是最后生成的动态链接库会比较大。第二种方法是通过调用系统自带的动态链接库来使用库函数，优点是只需要在编译自己的动态库时包括进头文件即可，最终生成的库很小，缺点是灵活度较低，而且skia和libjpeg随着Android版本和生产商不同，版本也会改变，容易出现链接失败，即调用库函数失败。具体怎么用完全看自己的需求了。自己编译skia和lijpeg的网上例子很多也很容易做，在此不做介绍了。我介绍一下如何使用系统的动态链接库，
1.下载一份android系统的源码，把\external\jpeg下的.h头文件都复制到一个目录下，我为了方便，直接放在了工程的jni目录下，注意不能用libjpeg官网上面的头文件，因为版本可能对不上。
2.编写Android.mk文件，需要注意的是LOCAL_LDLIBS :=里面一定要加上-ljpeg，下面是我的mk文件，一些编译选项都是摘抄Android源码里面的
LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE := AndroidJpegTest
LOCAL_SRC_FILES := AndroidJpegTest.cpp
LOCAL_LDLIBS :=-llog -ljpeg -ljnigraphics
LOCAL_C_INCLUDES := $(LOCAL_PATH)
LOCAL_CFLAGS += -O3 -fstrict-aliasing -fprefetch-loop-arrays
LOCAL_CFLAGS += -DUSE_ANDROID_ASHMEM
LOCAL_CFLAGS += -DAVOID_TABLES
LOCAL_CFLAGS += -DANDROID_TILE_BASED_DECODE
LOCAL_SDK_VERSION := 17
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)
3.编写自己的测试cpp文件，基本按照上面将的libjpeg使用流程调用即可，需要注意的是libjpeg接受的输入色彩空间没有RGBA，因此需要自己把bitmap的RGBA转换成RGB，Skia里面是直接从RGBA转成YUV的。我的测试代码如下，功能很简单，接收一个bitmap、一个保存路径和一个质量因子，按照要求把bitmap保存成jpg图片。
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include <jni.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include<android/bitmap.h>
#include<android/log.h>
#include"jpeglib.h"
#define TAG "JPEGTEST"
#define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,TAG,__VA_ARGS__)
static void myjpeg_error_exit(j_common_ptr jcs)
{
jpeg_error_mgr* error = (jpeg_error_mgr*)jcs->err;
(*error->output_message) (jcs);
jpeg_destroy(jcs);
exit(EXIT_FAILURE);
}
static void android_output_message(j_common_ptr cinfo) {
char buffer[2048];
/* Create the message */
(*cinfo->err->format_message)(cinfo, buffer);
LOGI("%s", buffer);
}
JNIEXPORT jint Java_com_example_yuvconv_NativeFunc_convert
(JNIEnv *env, jclass thiz, jobject bmpObj,jstring filepath,jint quality)
{
const char *imgPath = env->GetStringUTFChars(filepath, 0);
AndroidBitmapInfo bmpinfo = {0};
if (AndroidBitmap_getInfo(env, bmpObj, &bmpinfo) < 0)
{
LOGI("read failed");
return JNI_FALSE;
}
int width = bmpinfo.width;
int height =bmpinfo.height;
int widthStep = (width*3+3)/4*4;
if(bmpinfo.width <= 0 || bmpinfo.height <= 0 ||
bmpinfo.format != ANDROID_BITMAP_FORMAT_RGBA_8888)
{
LOGI("format error");
return JNI_FALSE;
}
void* bmpFromJObject = NULL;
if (AndroidBitmap_lockPixels(env,bmpObj,(void**)&bmpFromJObject) < 0)
{
LOGI("lockPixels failed");
return JNI_FALSE;
}
unsigned char*imageData= (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char)*(width*3+3)/4*4*height);
unsigned char* pBuff = (unsigned char*)bmpFromJObject;
unsigned char* pImgData = imageData;
for (int y = 0; y < height; y++)
{
unsigned char* p1 = pImgData;
unsigned char* p2 = pBuff;
for (int x = 0; x < width; x++)
{
p1[0] = p2[0]; //R
p1[1] = p2[1]; //G
p1[2] = p2[2]; //B
p1 += 3;
p2 += 4;
}
pImgData +=widthStep;
pBuff += bmpinfo.stride;
}
struct jpeg_compress_struct cinfo;
struct jpeg_error_mgr jerr;
cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
jerr.output_message=android_output_message;
jerr.error_exit=myjpeg_error_exit;
jpeg_create_compress(&cinfo);
cinfo.image_width = width;
cinfo.image_height = height;
cinfo.input_components = 3;
cinfo.in_color_space = JCS_RGB;
FILE * outfile;
if ((outfile = fopen(imgPath, "wb")) == NULL) {
fprintf(stderr, "can't open %s\n", imgPath);
return JNI_FALSE;
}
jpeg_set_defaults(&cinfo);
jpeg_stdio_dest(&cinfo, outfile);
jpeg_set_quality(&cinfo,quality,TRUE);
jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE);
unsigned char * srcImg=(unsigned char *)imageData;
while (cinfo.next_scanline < cinfo.image_height) {
JSAMPROW row_pointer[1]; /* pointer to JSAMPLE row[s] */
row_pointer[0] = srcImg;
(void) jpeg_write_scanlines(&cinfo, row_pointer, 1);
srcImg+=widthStep;
}
jpeg_finish_compress(&cinfo);
jpeg_destroy_compress(&cinfo);
env->ReleaseStringUTFChars(filepath, imgPath);
return JNI_TRUE;
}
#ifdef __cplusplus
}
#endif
4.编译的时候，会发现提示找不到libjpeg.so库，找一部手机，从system/lib下面把libjpeg.so抓出来，然后放在编译提示找不到库的那个目录下，我的目录是\android-ndk-r10d\toolchains\arm-linux-androideabi-4.8\prebuilt\windows-x86_64\lib\gcc\arm-linux-androideabi\4.8
5.重新编译，大功告成！把java的调用部分写好测试一下，没问题就ok了。可以看到，这样生成的so库只有10k多，比用libjpeg源码编译的几百k的库小很多。
调用系统的skia库也是类似的过程，不过skia变动的比较频繁，不建议这么使用，如果有需要还是用源码编译自己的libskia比较好。
参考文献
skia 文档：http://chromium-skia-gm.commondatastorage.googleapis.com/doxygen/doxygen/html/index.html
skia 源码解析 http://www.eoeandroid.com/thread-27841-1-1.html
使用系统自带libjpeg时问题 http://stackoverflow.com/questions/5208817/failing-to-link-against-libjpeg-so-in-jni-ndk-shared-library
