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    PNG文件結構分析 ---Png解析

    2016-09-28 00:00:00 廣州睿豐德信息科技有限公司 閱讀
    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 第一塊 cHRM 基色和白色點數據塊 在PLTE和IDAT之前 gAMA 圖像γ數據塊 在PLTE和IDAT之前 sBIT 樣本有效位數據塊 在PLTE和IDAT之前 PLTE 調色板數據塊 在IDAT之前 bKGD 背景顏色數據塊 在PLTE之后IDAT之前 hIST 圖像直方圖數據塊 在PLTE之后IDAT之前 tRNS 圖像透明數據塊 在PLTE之后IDAT之前 oFFs (專用公共數據塊) 在IDAT之前 pHYs 物理像素尺寸數據塊 在IDAT之前 sCAL (專用公共數據塊) 在IDAT之前 IDAT 圖像數據塊 與其他IDAT連續 tIME 圖像最后修改時間數據塊 無限制 tEXt 文本信息數據塊 無限制 zTXt 壓縮文本數據塊 無限制 fRAc (專用公共數據塊) 無限制 gIFg (專用公共數據塊) 無限制 gIFt (專用公共數據塊) 無限制 gIFx (專用公共數據塊) 無限制 IEND 圖像結束數據 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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