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PNG文件结构分析 ---Png解析

2024-07-02 04:16:36   228人阅读

PNG文件结构分析 ---Png解析
 

 

为了实现更高级的应用，我们必须充分挖掘PNG的潜力。

PNG的文件结构

 

根据PNG文件的定义来说，其文件头位置总是由位固定的字节来描述的：
 
十进制数
137 80 78 71 13 10 26 10
十六进制数
89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A
 
其中第一个字节0x89超出了ASCII字符的范围，这是为了避免某些软件将PNG文件当做文本文件来处理。文件中剩余的部分由3个以上的PNG的数据块（Chunk）按照特定的顺序组成，因此，一个标准的PNG文件结构应该如下：
 
PNG文件标志
PNG数据块
……
PNG数据块

 

PNG数据块（Chunk）

PNG定义了两种类型的数据块，一种是称为关键数据块(critical chunk)，这是标准的数据块，另一种叫做辅助数据块(ancillary chunks)，这是可选的数据块。关键数据块定义了4个标准数据块，每个PNG文件都必须包含它们，PNG读写软件也都必须要支持这些数据块。虽然PNG文件规范没有要求PNG编译码器对可选数据块进行编码和译码，但规范提倡支持可选数据块。

下表就是PNG中数据块的类别，其中，关键数据块部分我们使用深色背景加以区分。

 

PNG文件格式中的数据块
数据块符号
数据块名称
多数据块
可选否
位置限制
IHDR
文件头数据块
否
否
第一块
cHRM
基色和白色点数据块
否
是
在PLTE和IDAT之前
gAMA
图像γ数据块
否
是
在PLTE和IDAT之前
sBIT
样本有效位数据块
否
是
在PLTE和IDAT之前
PLTE
调色板数据块
否
是
在IDAT之前
bKGD
背景颜色数据块
否
是
在PLTE之后IDAT之前
hIST
图像直方图数据块
否
是
在PLTE之后IDAT之前
tRNS
图像透明数据块
否
是
在PLTE之后IDAT之前
oFFs
(专用公共数据块)
否
是
在IDAT之前
pHYs
物理像素尺寸数据块
否
是
在IDAT之前
sCAL
(专用公共数据块)
否
是
在IDAT之前
IDAT
图像数据块
是
否
与其他IDAT连续
tIME
图像最后修改时间数据块
否
是
无限制
tEXt
文本信息数据块
是
是
无限制
zTXt
压缩文本数据块
是
是
无限制
fRAc
(专用公共数据块)
是
是
无限制
gIFg
(专用公共数据块)
是
是
无限制
gIFt
(专用公共数据块)
是
是
无限制
gIFx
(专用公共数据块)
是
是
无限制
IEND
图像结束数据
否
否
最后一个数据块

 

为了简单起见，我们假设在我们使用的PNG文件中，这4个数据块按以上先后顺序进行存储，并且都只出现一次。

数据块结构

PNG文件中，每个数据块由4个部分组成，如下：

名称
字节数
说明
Length (长度)
4字节
指定数据块中数据域的长度，其长度不超过(231－1)字节
Chunk Type Code (数据块类型码)
4字节
数据块类型码由ASCII字母(A-Z和a-z)组成
Chunk Data (数据块数据)
可变长度
存储按照Chunk Type Code指定的数据
CRC (循环冗余检测)
4字节
存储用来检测是否有错误的循环冗余码
 

CRC(cyclic redundancy check)域中的值是对Chunk Type Code域和Chunk Data域中的数据进行计算得到的。CRC具体算法定义在ISO 3309和ITU-T V.42中，其值按下面的CRC码生成多项式进行计算：

x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

CRC: 一种校验算法。仅仅用来校验数据的正确性的

 

下面，我们依次来了解一下各个关键数据块的结构吧。

 

IHDR
文件头数据块IHDR(header chunk)：它包含有PNG文件中存储的图像数据的基本信息，并要作为第一个数据块出现在PNG数据流中，而且一个PNG数据流中只能有一个文件头数据块。
文件头数据块由13字节组成，它的格式如下表所示。
域的名称
字节数
说明
Width
4 bytes
图像宽度，以像素为单位
Height
4 bytes
图像高度，以像素为单位
Bit depth
1 byte
图像深度： 
索引彩色图像：1，2，4或8 
灰度图像：1，2，4，8或16 
真彩色图像：8或16
ColorType
1 byte
颜色类型：
0：灰度图像, 1，2，4，8或16 
2：真彩色图像，8或16 
3：索引彩色图像，1，2，4或8 
4：带α通道数据的灰度图像，8或16 
6：带α通道数据的真彩色图像，8或16
Compression method
1 byte
压缩方法(LZ77派生算法)
Filter method
1 byte
滤波器方法
Interlace method
1 byte
隔行扫描方法：
0：非隔行扫描 
1： Adam7(由Adam M. Costello开发的7遍隔行扫描方法)
由于本文很多设计到了PNG在手机方面的应用，因此在此提出MIDP1.0对所使用PNG图片的要求：
  • 在MIDP1.0中，只可以使用1.0版本的PNG图片。
  • 文件大小：MIDP支持任意大小的PNG图片，然而实际上，如果一个图片过大，会由于内存耗尽而无法读取。
  • 颜色类型：所有颜色类型都有被支持，虽然这些颜色的显示依赖于实际设备的显示能力。同时，MIDP也能支持alpha通道，但是，所有的alpha通道信息都会被忽略并且当作不透明的颜色对待。
  • 色深：所有的色深都能被支持。
  • 压缩方法：仅支持deflate压缩方式，这和jar文件的压缩方式完全相同，所以，PNG图片数据的解压和jar文件的解压可以使用相同的代码。
  • 滤波器方法：在PNG中所有的5种方法都被支持。
  • 隔行扫描：虽然MIDP支持0、1两种方式，然而，当使用隔行扫描时，MIDP却不会真正的使用隔行扫描方式来显示。
  • PLTE chunk：支持
  • IDAT chunk：图像信息必须使用5种过滤方式中的方式之一 (None, Sub, Up, Average, Paeth)
  • IEND chunk：当IEND数据块被找到时，这个PNG图像才认为是合法的PNG图像。
  • 可选数据块：MIDP可以支持下列辅助数据块，然而，这却不是必须的。
bKGD cHRM gAMA hIST iCCP iTXt pHYs
sBIT sPLT sRGB tEXt tIME tRNS zTXt
 
PLTE
调色板数据块PLTE(palette chunk)包含有与索引彩色图像(indexed-color image)相关的彩色变换数据，它仅与索引彩色图像有关，而且要放在图像数据块(image data chunk)之前。
PLTE数据块是定义图像的调色板信息，PLTE可以包含1~256个调色板信息，每一个调色板信息由3个字节组成：
颜色
字节
意义
Red
1 byte
0 = 黑色, 255 = 红
Green
1 byte
0 = 黑色, 255 = 绿色
Blue
1 byte
0 = 黑色, 255 = 蓝色
因此，调色板的长度应该是3的倍数，否则，这将是一个非法的调色板。
对于索引图像，调色板信息是必须的，调色板的颜色索引从0开始编号，然后是1、2……，调色板的颜色数不能超过色深中规定的颜色数（如图像色深为4的时候，调色板中的颜色数不可以超过2^4=16），否则，这将导致PNG图像不合法。
真彩色图像和带alpha通道数据的真彩色图像也可以有调色板数据块，目的是便于非真彩色显示程序用它来量化图像数据，从而显示该图像。
 
IDAT
图像数据块IDAT(image data chunk)：它存储实际的数据，在数据流中可包含多个连续顺序的图像数据块。
IDAT存放着图像真正的数据信息，因此，如果能够了解IDAT的结构，我们就可以很方便的生成PNG图像。
 
IEND
图像结束数据IEND(image trailer chunk)：它用来标记PNG文件或者数据流已经结束，并且必须要放在文件的尾部。
如果我们仔细观察PNG文件，我们会发现，文件的结尾12个字符看起来总应该是这样的：
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
不难明白，由于数据块结构的定义，IEND数据块的长度总是0（00 00 00 00，除非人为加入信息），数据标识总是IEND（49 45 4E 44），因此，CRC码也总是AE 42 60 82。
 
实例研究PNG
以下是由Fireworks生成的一幅图像，图像大小为8*8，
为了方便观看，将图像放大：


使用UltraEdit32打开该文件，如下：
00000000~00000007：
可以看到，选中的头8个字节即为PNG文件的标识。
接下来的地方就是IHDR数据块了：
00000008~00000020：
  • 00 00 00 0D 说明IHDR头块长为13
  • 49 48 44 52 IHDR标识
  • 00 00 00 08 图像的宽，8像素
  • 00 00 00 08 图像的高，8像素
  • 04 色深，2^4=16，即这是一个16色的图像（也有可能颜色数不超过16，当然，如果颜色数不超过8，用03表示更合适）
  • 03 颜色类型，索引图像
  • 00 PNG Spec规定此处总为0（非0值为将来使用更好的压缩方法预留），表示使压缩方法(LZ77派生算法)
  • 00 同上
  • 00 非隔行扫描
  • 36 21 A3 B8 CRC校验
00000021~0000002F：
可选数据块sBIT，颜色采样率，RGB都是256（2^8=256）
00000030~00000062：
这里是调色板信息
  • 00 00 00 27 说明调色板数据长为39字节，既13个颜色数
  • 50 4C 54 45 PLTE标识
  • FF FF 00 颜色0
  • FF ED 00 颜色1
  • …… ……
  • 09 00 B2 最后一个颜色，12
  • 5F F5 BB DD CRC校验
00000063~000000C5：
这部分包含了pHYs、tExt两种类型的数据块共3块，由于并不太重要，因此也不再详细描述了。

000000C0~000000F8：
以上选中部分是IDAT数据块
  • 00 00 00 27 数据长为39字节
  • 49 44 41 54 IDAT标识
  • 78 9C…… 压缩的数据，LZ77派生压缩方法
  • DA 12 06 A5 CRC校验
IDAT中压缩数据部分在后面会有详细的介绍。
000000F9~00000104：
IEND数据块，这部分正如上所说，通常都应该是
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
至此，我们已经能够从一个PNG文件中识别出各个数据块了。由于PNG中规定除关键数据块外，其它的辅助数据块都为可选部分，因此，有了这个标准后，我们可以通过删除所有的辅助数据块来减少PNG文件的大小。（当然，需要注意的是，PNG格式可以保存图像中的层、文字等信息，一旦删除了这些辅助数据块后，图像将失去原来的可编辑性。）
删除了辅助数据块后的PNG文件，现在文件大小为147字节，原文件大小为261字节，文件大小减少后，并不影响图像的内容。
  • 如上说过，IDAT数据块是使用了LZ77压缩算法生成的，由于受限于手机处理器

 

 

其实，我们可以通过改变调色板的色值来完成一些又趣的事情，比如说实现云彩/水波的流动效果，实现图像的淡入淡出效果等等


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