睿豐德科技 專注RFID識別技術和條碼識別技術與管理軟件的集成項目。質量追溯系統、MES系統、金蝶與條碼系統對接、用友與條碼系統對接 PNG文件結構分析 ---Png解析  

 

為了實現更高級的應用，我們必須充分挖掘PNG的潛力。

PNG的文件結構

 

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   其中第一個字節0x89超出了ASCII字符的范圍，這是為了避免某些軟件將PNG文件當做文本文件來處理。文件中剩余的部分由3個以上的PNG的數據塊（Chunk）按照特定的順序組成，因此，一個標準的PNG文件結構應該如下：   PNG文件標志 PNG數據塊 …… PNG數據塊

 

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)，這是標準的數據塊，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個標準數據塊，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

 

為了簡單起見，我們假設在我們使用的PNG文件中，這4個數據塊按以上先后順序進行存儲，并且都只出現一次。

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 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

 

下面，我們依次來了解一下各個關鍵數據塊的結構吧。

 

IHDR 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，并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) 由于本文很多設計到了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，會由于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于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并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。 對于索引圖像，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，目的是便于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存放著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，并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，由于數據塊結構的定義，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

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，由于并不太重要，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。由于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，有了這個標準后，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，并不影響圖像的內容。

• 如上說過，IDAT數據塊是使用了LZ77壓縮算法生成的，由于受限于手機處理器

 

 

其實，我們可以通過改變調色板的色值來完成一些又趣的事情，比如說實現云彩/水波的流動效果，實現圖像的淡入淡出效果等等

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