詳解PNG文件結構

本文轉載自查看原文 2018-05-03 17:08 2034 A---技術經驗之談/ Misc

前言

PNG，JPEG，GIF,BMP作為數據壓縮文件，有許多重要的信息我們需要區深度解析。

一.PNG的文件結構

1.1、數據塊構成結構

PNG文件結構很簡單，主要有數據塊(Chunk Block)組成，最少包含4個數據塊。

PNG標識符

PNG數據塊（IHDR）

PNG數據塊(其他類型數據塊)

...

PNG結尾數據塊(IEND)

1.2、所有PNG數據塊（Chunk）

PNG定義了兩種類型的數據塊，一種是稱為關鍵數據塊(critical chunk)，這是標准的數據塊，另一種叫做輔助數據塊(ancillary chunks)，這是可選的數據塊。關鍵數據塊定義了4個標准數據塊，每個PNG文件都必須包含它們，PNG讀寫軟件也都必須要支持這些數據塊。雖然PNG文件規范沒有要求PNG編譯碼器對可選數據塊進行編碼和譯碼，但規范提倡支持可選數據塊。

下表就是PNG中數據塊的類別，其中，關鍵數據塊部分我們使用深色背景加以區分。

PNG文件格式中的數據塊
數據塊符號	數據塊名稱	多數據塊	可選否	位置限制
IHDR	文件頭數據塊	否	否	第一塊
cHRM	基色和白色點數據塊	否	是	在PLTE和IDAT之前
gAMA	圖像γ數據塊	否	是	在PLTE和IDAT之前
sBIT	樣本有效位數據塊	否	是	在PLTE和IDAT之前
PLTE	調色板數據塊	否	是	在IDAT之前
bKGD	背景顏色數據塊	否	是	在PLTE之后IDAT之前
hIST	圖像直方圖數據塊	否	是	在PLTE之后IDAT之前
tRNS	圖像透明數據塊	否	是	在PLTE之后IDAT之前
oFFs	(專用公共數據塊)	否	是	在IDAT之前
pHYs	物理像素尺寸數據塊	否	是	在IDAT之前
sCAL	(專用公共數據塊)	否	是	在IDAT之前
IDAT	圖像數據塊	是	否	與其他IDAT連續
tIME	圖像最后修改時間數據塊	否	是	無限制
tEXt	文本信息數據塊	是	是	無限制
zTXt	壓縮文本數據塊	是	是	無限制
fRAc	(專用公共數據塊)	是	是	無限制
gIFg	(專用公共數據塊)	是	是	無限制
gIFt	(專用公共數據塊)	是	是	無限制
gIFx	(專用公共數據塊)	是	是	無限制
IEND	圖像結束數據	否	否	最后一個數據塊

1.3、數據塊結構

PNG文件中，每個數據塊由4個部分組成，如下：

名稱	字節數	說明
Length (長度)	4字節	指定數據塊中數據域的長度，其長度不超過(231－1)字節
Chunk Type Code (數據塊類型碼)	4字節	數據塊類型碼由ASCII字母(A-Z和a-z)組成的“數據塊符號”
Chunk Data (數據塊數據)	可變長度	存儲按照Chunk Type Code指定的數據
CRC (循環冗余檢測)	4字節	存儲用來檢測是否有錯誤的循環冗余碼

CRC(cyclic redundancy check)域中的值是對Chunk Type Code域和Chunk Data域中的數據進行計算得到的。CRC具體算法定義在ISO 3309和ITU-T V.42中，其值按下面的CRC碼生成多項式進行計算：

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

CRC: 一種校驗算法。僅僅用來校驗數據的正確性的，這里因為使用了4個字節，說明使用的是CRC32標准算法。

二.PNG圖像標識符

根據PNG文件的定義來說，其文件頭位置總是由位固定的字節來描述的：

十進制數	137 80 78 71 13 10 26 10
十六進制數	89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A

JPEG，PNG,GIF,BMP等圖片都具有不同的圖像標識符號，判讀一個文件的正確mimeType類型，更應該通過標識符,而不是通過后綴名判斷，下面這種方法是不可靠的，因為后綴名可以隨便修改。

boolean isPNG = filename.endsWith(".png");

同樣，jdk本身提供api判斷文件 mime type依舊有問題的，他同樣是根據后綴名判斷，甚至不去檢測文件是否存在。

String contentTypeFor = URLConnection.getFileNameMap().getContentTypeFor("123.gif");

三.IHDR數據塊

文件頭數據塊IHDR(header chunk)：它包含有PNG文件中存儲的圖像數據的基本信息，並要作為第一個數據塊出現在PNG數據流中，而且一個PNG數據流中只能有一個文件頭數據塊。

文件頭數據塊由13字節組成，它的格式如下表所示。

域的名稱	字節數	說明
Width	4 bytes	圖像寬度，以像素為單位
Height	4 bytes	圖像高度，以像素為單位
Bit depth	1 byte	圖像深度：索引彩色圖像：1，2，4或8 灰度圖像：1，2，4，8或16 真彩色圖像：8或16
ColorType	1 byte	顏色類型： 0：灰度圖像, 1，2，4，8或16 2：真彩色圖像，8或16 3：索引彩色圖像，1，2，4或8 4：帶α通道數據的灰度圖像，8或16 6：帶α通道數據的真彩色圖像，8或16
Compression method	1 byte	壓縮方法(LZ77派生算法)
Filter method	1 byte	濾波器方法
Interlace method	1 byte	隔行掃描方法： 0：非隔行掃描 1： Adam7(由Adam M. Costello開發的7遍隔行掃描方法)

由於本文很多設計到了PNG在手機方面的應用，因此在此提出MIDP1.0對所使用PNG圖片的要求：

在MIDP1.0中，只可以使用1.0版本的PNG圖片。
文件大小：MIDP支持任意大小的PNG圖片，然而實際上，如果一個圖片過大，會由於內存耗盡而無法讀取。
顏色類型：所有顏色類型都有被支持，雖然這些顏色的顯示依賴於實際設備的顯示能力。同時，MIDP也能支持alpha通道，但是，所有的alpha通道信息都會被忽略並且當作不透明的顏色對待。
色深：所有的色深都能被支持。
壓縮方法：僅支持deflate壓縮方式，這和jar文件的壓縮方式完全相同，所以，PNG圖片數據的解壓和jar文件的解壓可以使用相同的代碼。
濾波器方法：在PNG中所有的5種方法都被支持。
隔行掃描：雖然MIDP支持0、1兩種方式，然而，當使用隔行掃描時，MIDP卻不會真正的使用隔行掃描方式來顯示。
PLTE chunk：支持
IDAT chunk：圖像信息必須使用5種過濾方式中的方式之一 (None, Sub, Up, Average, Paeth)
IEND chunk：當IEND數據塊被找到時，這個PNG圖像才認為是合法的PNG圖像。
可選數據塊：MIDP可以支持下列輔助數據塊，然而，這卻不是必須的。

bKGD cHRM gAMA hIST iCCP iTXt pHYs
sBIT sPLT sRGB tEXt tIME tRNS zTXt

PLTE

調色板數據塊PLTE(palette chunk)包含有與索引彩色圖像(indexed-color image)相關的彩色變換數據，它僅與索引彩色圖像有關，而且要放在圖像數據塊(image data chunk)之前。

PLTE數據塊是定義圖像的調色板信息，PLTE可以包含1~256個調色板信息，每一個調色板信息由3個字節組成：

顏色	字節	意義
Red	1 byte	0 = 黑色, 255 = 紅
Green	1 byte	0 = 黑色, 255 = 綠色
Blue	1 byte	0 = 黑色, 255 = 藍色

因此，調色板的長度應該是3的倍數，否則，這將是一個非法的調色板。

對於索引圖像，調色板信息是必須的，調色板的顏色索引從0開始編號，然后是1、2……，調色板的顏色數不能超過色深中規定的顏色數（如圖像色深為4的時候，調色板中的顏色數不可以超過2^4=16），否則，這將導致PNG圖像不合法。

真彩色圖像和帶alpha通道數據的真彩色圖像也可以有調色板數據塊，目的是便於非真彩色顯示程序用它來量化圖像數據，從而顯示該圖像。

IDAT

圖像數據塊IDAT(image data chunk)：它存儲實際的數據，在數據流中可包含多個連續順序的圖像數據塊。

IDAT存放着圖像真正的數據信息，因此，如果能夠了解IDAT的結構，我們就可以很方便的生成PNG圖像。

IEND

圖像結束數據IEND(image trailer chunk)：它用來標記PNG文件或者數據流已經結束，並且必須要放在文件的尾部。

如果我們仔細觀察PNG文件，我們會發現，文件的結尾12個字符看起來總應該是這樣的：

00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

不難明白，由於數據塊結構的定義，IEND數據塊的長度總是0（00 00 00 00，除非人為加入信息），數據標識總是IEND（49 45 4E 44），因此，CRC碼也總是AE 42 60 82。

實例研究PNG

以下是由Fireworks生成的一幅圖像，圖像大小為8*8，

為了方便觀看，將圖像放大：

使用UltraEdit32或者WinHex打開該文件，如下：
00000000~00000007：

可以看到，選中的頭8個字節即為PNG文件的標識。

接下來的地方就是IHDR數據塊了：

00000008~00000020：

00 00 00 0D 說明IHDR頭塊長為13
49 48 44 52 IHDR標識
00 00 00 08 圖像的寬，8像素
00 00 00 08 圖像的高，8像素
04 色深，2^4=16，即這是一個16色的圖像（也有可能顏色數不超過16，當然，如果顏色數不超過8，用03表示更合適）
03 顏色類型，索引圖像
00 PNG Spec規定此處總為0（非0值為將來使用更好的壓縮方法預留），表示使壓縮方法(LZ77派生算法)
00 同上
00 非隔行掃描
36 21 A3 B8 CRC校驗

CRC校驗代碼如下：

import java.util.zip.CRC32;

public class CrcTest {

    
    public static void main(String[] args) {
            
         byte[] checkData = new byte[]{0x49,0x48,0x44,0x52,0x00,0x00,0x00, 0x08,0x00,0x00,0x00, 0x08,0x04,0x03,0x00,0x00,0x00};
         CRC32 crc32 = new CRC32();  
         crc32.update(checkData);
         long value = crc32.getValue();
         
         byte[] intToBytes = longToBytes(value);
         String bytesToHexString = bytesToHexString(intToBytes);
         System.out.println(bytesToHexString);
         
    }
    
    public static byte[] longToBytes(long value)   
    {   
        byte[] src = new byte[4];  
        src[0] = (byte) ((value>>24) & 0xFF);  
        src[1] = (byte) ((value>>16)& 0xFF);  
        src[2] = (byte) ((value>>8)&0xFF);    
        src[3] = (byte) (value & 0xFF);       
        return src;  
    } 
     //將字節數組按16進制輸出
        public static String bytesToHexString(byte[] src){
            
            StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder("");
            if (src == null || src.length <= 0) {
                return null;
            }
            for (int i = 0; i < src.length; i++)
            {
                int v = src[i] & 0xFF;
                String hv = Integer.toHexString(v);

                if (stringBuilder.length() != 0) {
                    stringBuilder.append(",");
                }
                if (hv.length() < 2) {
                    stringBuilder.append(0);
                }
                stringBuilder.append(hv);
            }
            return stringBuilder.toString();
        }

}

00000021~0000002F：

可選數據塊sBIT，顏色采樣率，RGB都是256（2^8=256）

00000030~00000062：

這里是調色板信息

00 00 00 27 說明調色板數據長為39字節，既13個顏色數
50 4C 54 45 PLTE標識
FF FF 00 顏色0
FF ED 00 顏色1
…… ……
09 00 B2 最后一個顏色，12
5F F5 BB DD CRC校驗

00000063~000000C5：

這部分包含了pHYs、tExt兩種類型的數據塊共3塊，由於並不太重要，因此也不再詳細描述了。

000000C0~000000F8：

以上選中部分是IDAT數據塊

00 00 00 27 數據長為39字節
49 44 41 54 IDAT標識
78 9C…… 壓縮的數據，LZ77派生壓縮方法
DA 12 06 A5 CRC校驗

IDAT中壓縮數據部分在后面會有詳細的介紹。

000000F9~00000104：

IEND數據塊，這部分正如上所說，通常都應該是

00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

至此，我們已經能夠從一個PNG文件中識別出各個數據塊了。由於PNG中規定除關鍵數據塊外，其它的輔助數據塊都為可選部分，因此，有了這個標准后，我們可以通過刪除所有的輔助數據塊來減少PNG文件的大小。（當然，需要注意的是，PNG格式可以保存圖像中的層、文字等信息，一旦刪除了這些輔助數據塊后，圖像將失去原來的可編輯性。）

刪除了輔助數據塊后的PNG文件，現在文件大小為147字節，原文件大小為261字節，文件大小減少后，並不影響圖像的內容。參考：打造自由換色的png圖片類。

如上說過，IDAT數據塊是使用了LZ77壓縮算法生成的，由於受限於手機處理器的能力，因此，如果我們在生成IDAT數據塊時仍然使用LZ77壓縮算法，將會使效率大打折扣，因此，為了效率，只能使用無壓縮的LZ77算法，關於LZ77算法的具體實現，此文不打算深究，如果你對LZ77算法的JAVA實現有興趣，可以參考以下兩個站點：
http://jazzlib.sourceforge.net/
http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

四.PNG文件結構分析(下：在手機上生成PNG文件)

上面我們已經對PNG的存儲格式有了了解，因此，生成PNG圖片只需要按照以上的數據塊寫入文件即可。

(由於IHDR、PLTE的結構都非常簡單，因此，這里我們只是重點講一講IDAT的生成方法，IHDR和PLTE的數據內容都沿用以上的數據內容)

問題確實是這樣的，我們知道，對於大多數的圖形文件來說，我們都可以將實際的圖像內容映射為一個二維的顏色數組，對於上面的PNG文件，由於它用的是16色的調色板（實際是13色），因此，對於圖片的映射可以如下：

12	11	10	9	8	7	6	5
11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

PNG Spec中指出，如果PNG文件不是采用隔行掃描方法存儲的話，那么，數據是按照行(ScanLine)來存儲的，為了區分第一行，PNG規定在每一行的前面加上0以示區分，因此，上面的圖像映射應該如下：

12	11	10	9	8	7	6	5
11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

另外，需要注意的是，由於PNG在存儲圖像時為了節省空間，因此每一行是按照位(Bit)來存儲的，而並不是我們想象的字節（Byte），如果你沒有忘記的話，我們的IHDR數據塊中的色深就指明了這一點，所以，為了湊成PNG所需要的IDAT，我們的數據得改成如下：

203	169	135	101
186	152	118	84
169	135	101	67
152	118	84	50
135	101	67	33
118	84	50	16
101	67	33	0
84	50	16	0

最后，我們對這些數據進行LZ77壓縮就可以得到IDAT的正確內容了。

然而，事情並不是這么簡單，因為我們研究的是手機上的PNG，如果需要在手機上完成LZ77壓縮工作，消耗的時間是可想而知的，因此，我們得再想辦法加減少壓縮時消耗的時間。

好在LZ77也提供了無壓縮的壓縮方法（奇怪吧？），因此，我們只需要簡單的使用無壓縮的方式寫入數據就可以了，這樣雖然浪費了空間，卻換回了時間！

好了，讓我們看一看怎么樣湊成無壓縮的LZ77壓縮塊：

字節	意義
0~2	壓縮信息，固定為0x78, 0xda, 0x1
3~6	壓縮塊的LEN和NLEN信息
壓縮的數據
最后4字節	Adler32信息

其中的LEN是指數據的長度，占用兩個字節，對於我們的圖像來說，第一個Scan Line包含了5個字節（如第一行的0, 203, 169, 135, 101），所以LEN的值為5（字節/行） * 8（行） = 40（字節），生成字節為28 00（低字節在前），NLEN是LEN的補碼，即NLEN = LEN ^ 0xFFFF，所以NLEN的為 D7 FF，Adler32信息為24 A7 0B A4（具體算法見源程序），因此，按照這樣的順序，我們生成IDAT數據塊，最后，我們將IHDR、PLTE、IDAT和IEND數據塊寫入文件中，就可以得到PNG文件了，如圖：

（選中的部分為生成的“壓縮”數據）

至此，我們已經能夠采用最快的時間將數組轉換為PNG圖片了。

五.參考文獻

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12	11	10	9	8	7	6	5
11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

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11	10	9	8	7	6	5	4
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9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

203	169	135	101
186	152	118	84
169	135	101	67
152	118	84	50
135	101	67	33
118	84	50	16
101	67	33	0
84	50	16	0

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11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

12	11	10	9	8	7	6	5
11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

203	169	135	101
186	152	118	84
169	135	101	67
152	118	84	50
135	101	67	33
118	84	50	16
101	67	33	0
84	50	16	0

12	11	10	9	8	7	6	5
11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

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11	10	9	8	7	6	5	4
10	9	8	7	6	5	4	3
9	8	7	6	5	4	3	2
8	7	6	5	4	3	2	1
7	6	5	4	3	2	1	0
6	5	4	3	2	1	0	0
5	4	3	2	1	0	0	0

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152	118	84	50
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