PNG文件解读(2):PNG格式文件结构与数据结构解读

PNG文件识别

之前写过《JPEG/Exif/TIFF格式解读(1):JEPG图片压缩与存储原理分析》，JPEG文件是以，FFD8开头，FFD9结尾，中间存储着以0xFFE0~0xFFEF 为标志的数据段。

对于一个PNG文件来说，其文件头总是由位固定的字节来描述的，HEX： 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

与JPEG格式如下

SOI Marker	Marker XX size=SSSS			Marker YY size=TTTT			SOS Marker size=UUUU			Image stream	EOI Marker
FFD8	FFXX	SSSS	DDDD......	FFYY	TTTT	DDDD......	FFDA	UUUU	DDDD....	I I I I....	FFD9

何其相似，但却相差甚远。png数据结构个人觉得比jpeg复杂

jpeg：段标识(FF)+段类型(1字节)+段长度(2字节)+数据块

png：段长度(4字节)+段类型/类型标志(4字节)+数据块+校验码(4字节)

png的每一段，称之为数据块。

PNG数据块（Chunk）

PNG定义了两种类型的数据块，

关键数据块(critical chunk)，这是标准的数据块
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。

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

我们目前只需关注标红的关键数据块即可。

数据块中有 4 个关键数据块：

文件头数据块 IHDR（header chunk）：包含有图像基本信息，作为第一个数据块出现并只出现一次。
调色板数据块 PLTE（palette chunk）：必须放在图像数据块之前。
图像数据块 IDAT（image data chunk）：存储实际图像数据。PNG 数据允许包含多个连续的图像数据块。
图像结束数据 IEND（image trailer chunk）：放在文件尾部，表示 PNG 数据流结束。

数据块连起来，大概这个样子：

PNG 标识符	PNG 数据块(IHDR)	PNG 数据块(其他类型数据块)	…	PNG 结尾数据块(IEND)

就是一段段数据按照固定格式填充，头尾必要，中间填充图片的压缩数据。所以解读png的所有数据，就需要解读每个数据块

PNG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

Length 值的是除：length 本身，Chunk Type Code，CRC 外的长度，也就是 Chunk Data 的长度。
CRC: 一种校验算法。仅仅用来校验数据的正确性的

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

下面，我们依次来了解一下各个关键数据块的结构吧。

文件头数据块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
Comdivssion 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)

由于我们研究的是手机上的PNG，因此，首先我们看看MIDP1.0对所使用PNG图片的要求吧：

在MIDP1.0中，我们只可以使用1.0版本的PNG图片。并且，所以的PNG关键数据块都有特别要求：IHDR
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。
ColorType/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。
Bit depth/色深：所有的色深都能被支持。
Comdivssion method/压缩方法：仅支持压缩方式0（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。（其实这也就是为什么J2ME能很好的支持PNG图像的原因：））
Filter method/滤波器方法：尽管在PNG的白皮书中仅定义了方法0，然而所有的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0 (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。

关于更多的信息，可以参考http://www.w3.org/TR/REC-png.html

用十六进制查看器打开一个 PNG 文件:

分析如下：

十六进制	说明
00 00 00 0D	数据块长度 13 字节
49 48 44 52	数据块类型码 “IHDR” 的 ASCII 字母
00 00 04 1D	图像宽度 1053
00 00 02 B3	图像高度 691
08	图像深度 8
06	带α通道数据的真彩色图
00	压缩方法
00	滤波器方法
00	隔行扫描方法：00非隔行扫描
52 C3 75 3A	CRC (循环冗余检测)

数据块-调色板数据块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α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。

用十六进制查看器打开一个索引图像 PNG 文件:

分析如下：

十六进制	说明
00 00 00 27	数据块长度 39 字节
50 4C 54 45	数据块类型码 “PLTE” 的 ASCII 字母
B7 00 34 FF 99 00 60 00 73 FF 0F 00 FF ED 00 09 00 B2 FF 66 00 FF 3B 00 E2 00 15 8B 00 54 FF C1 00 33 00 99 FF FF 00	调色板颜色 13 个
48 29 75 2C	CRC (循环冗余检测)

预览调色板中的颜色：

pHYs

物理像素数据块，它表示了图片的像素尺寸，或者是高宽比，它的结果如下

Pixels per unit, X axis	4 bytes (PNG unsigned integer)
Pixels per unit, Y axis	4 bytes (PNG unsigned integer)
Unit specifier	1 byte

unit specifier的定义如下：

0：unit is unknown
1：unit is the metre

数据块-图像数据块 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。

用十六进制查看器打开一个索引图像 PNG 文件:

十六进制	说明
00 00 00 D3	数据块长度 211 字节
49 44 41 54	数据块类型码 “IDAT” 的 ASCII 字母
78 9C ......	压缩的数据 211 字节，LZ77 派生压缩方法
52 98 5D 9D	CRC (循环冗余检测)

数据块-图像结束数据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。

IHDR cHRM pHYs IEND

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。

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，在此，给出一个链接给大家看也许更直接：http://blog.csdn.net/flyingghost/archive/2005/01/13/251110.aspx，我写此文也就是受此文的启发的。

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的能力，因此，如果我们在生成IDAT数据块时仍然使用LZ77压缩算法，将会使效率大打折扣，因此，为了效率，只能使用无压缩的LZ77算法，关于LZ77算法的具体实现，此文不打算深究，如果你对LZ77算法的JAVA实现有兴趣，可以参考以下两个站点：

http://jazzlib.sourceforge.net/
http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

参考文章：

音视频入门-11-PNG文件格式详解 https://www.cnblogs.com/binglingziyu/p/audio-video-basic-11-png-file-format-detail.html

PNG文件结构 https://www.cnblogs.com/Yuuki-/p/7868858.html

http://read.newbooks.com.cn/info/173555.html

转载本站文章《PNG文件解读(2):PNG格式文件结构与数据结构解读—解码PNG数据》,
请注明出处：https://www.zhoulujun.cn/html/theory/multimedia/CG-CV-IP/8410.html