HEIF 編碼技術：HEVC 與 AV1 的壓縮原理
HEIF 之所以能實現比 JPEG 高出近一倍的壓縮效率，關鍵在於它借用了視訊編碼技術來壓縮靜態圖片。本文將深入探討 HEIF 背後的兩大編碼技術：HEVC（H.265）和 AV1。
為什麼用視訊編碼來壓縮圖片？
視訊編碼技術比傳統圖片編碼技術更先進，因為視訊壓縮需要處理大量的連續畫面，迫使研究者開發出更高效的壓縮演算法。HEIF 的巧妙之處在於，它使用了為視訊設計的 intra-frame（幀內）壓縮技術來壓縮單張圖片。
HEVC（H.265）的壓縮原理
HEVC（High Efficiency Video Coding），也稱為 H.265，是 ITU-T 和 ISO/IEC 聯合開發的視訊編碼標準。它是 H.264/AVC 的繼任者。
關鍵技術改進
- 更大的編碼單元（CTU） — HEVC 使用最大 64x64 像素的 CTU，而 H.264 只有 16x16 的巨集區塊。更大的區塊更適合處理大面積平滑區域。
- 四叉樹分割 — CTU 可以遞迴地分割為更小的區塊，從 64x64 到 32x32 到 16x16 到 8x8 到 4x4，讓編碼器精確地適應不同的圖片內容。
- 改良的幀內預測 — HEVC 提供 35 種幀內預測方向（H.264 只有 9 種），能更精確地預測像素值，減少需要編碼的殘差資料。
- 改良的量化和變換 — 使用更靈活的變換尺寸和改良的量化矩陣。
| 技術 | H.264/AVC | HEVC/H.265 |
|---|---|---|
| 最大區塊大小 | 16x16 | 64x64 |
| 幀內預測方向 | 9 種 | 35 種 |
| 變換尺寸 | 4x4, 8x8 | 4x4, 8x8, 16x16, 32x32 |
| 壓縮效率（vs H.264） | 基準 | 約提升 50% |
重點摘要：HEVC 相比 H.264 的壓縮效率提升約 50%，這就是為什麼 HEIC（使用 HEVC 編碼）的檔案大小約為 JPEG 的一半。
AV1：免版稅的替代方案
HEVC 雖然壓縮效率優秀，但有一個重要問題：專利授權費用。HEVC 涉及多個專利池，授權費用高昂且複雜。
Alliance for Open Media（AOMedia，開放媒體聯盟）為此開發了 AV1 — 一個完全免版稅的視訊編碼標準。AOMedia 的成員包括 Google、Mozilla、Netflix、Amazon、Apple、Microsoft 等科技巨頭。
AV1 的技術特點
- 超級區塊 — 最大 128x128 像素，比 HEVC 的 64x64 更大
- 更多預測模式 — 超過 50 種幀內預測方向
- CDEF 濾波器 — 專門設計的約束方向增強濾波器，有效減少壓縮偽影
- Loop Restoration — 自適應迴路恢復濾波器，進一步提升解碼品質
AVIF：使用 AV1 編碼的 HEIF
當 HEIF 容器使用 AV1 作為編碼方式時，產生的檔案就是 AVIF（AV1 Image File Format）。AVIF 被視為 HEIC 的免版稅替代品，也是 WebP 的進階替代品。
| 格式 | 容器 | 編碼 | 授權 |
|---|---|---|---|
| HEIC | HEIF | HEVC (H.265) | 需付費授權 |
| AVIF | HEIF | AV1 | 免版稅 |
| JPEG | JFIF/EXIF | DCT | 免版稅 |
| WebP | RIFF | VP8/VP8L | 免版稅 |
未來展望
圖片格式的未來趨勢是向視訊編碼技術靠攏。隨著 AVIF 的瀏覽器支援度越來越高，以及 JPEG XL（另一個新興格式）的發展，圖片格式的競爭將持續進化。但無論格式如何演變，理解底層的壓縮原理，都能幫助你做出更好的格式選擇。
立即將 HEIC 轉為 JPG →結語
HEIF 格式的高壓縮效率來自其背後強大的視訊編碼技術。無論是 HEVC 還是 AV1，它們都代表了數十年影像壓縮研究的結晶。了解這些技術原理，你就能更好地理解不同圖片格式的優劣。
參考文獻
- ITU-T. "H.265: High efficiency video coding." International Telecommunication Union, 2021. https://www.itu.int/rec/T-REC-H.265
- Alliance for Open Media. "AV1 Bitstream & Decoding Process Specification." AOMedia, 2024. https://aomedia.org/av1-features/get-started/
- Sullivan, G. J., Ohm, J.-R., Han, W.-J., & Wiegand, T. "Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard." IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 22, no. 12, 2012. https://ieeexplore.ieee.org/document/6316136
- Chen, Y., et al. "An Overview of Core Coding Tools in the AV1 Video Codec." IEEE PCS, 2018. https://ieeexplore.ieee.org/document/8456249