图像解码之二——使用libpng解码png图片
上文《图像解码之一——使用libjpeg解码jpeg图片》介绍了使用libjpeg解码jpeg图片。png图片应用也非常广泛，本文将会简单介绍怎样使用开源libpng库解码png图片。
libpng的数据结构
png_structp变量是在libpng初始化的时候创建，由libpng库内部使用，代表libpng的是调用上下文，库的使用者不应该对这个变量进行访问。调用libpng的API的时候，需要把这个参数作为第一个参数传入。
png_infop变量，初始化完成libpng之后，可以从libpng中获得该类型变量指针。这个变量保存了png图片数据的信息，库的使用者可以修 改和查阅该变量，比如：查阅图片信息，修改图片解码参数。在早期的版本中直接访问该变量的成员，最新的版本建议是通过API来访问这些成员。
libpng的使用
0、判断是否为libpng数据
这步是可选的，在利用libpng继续数据处理之前，可以调用png_sig_cmp函数来检查是否为png数据，请参阅libpng手册了解详细内容。
1、初始化libpng
1: /* Create and initialize the png_struct with the desired error handler
2: * functions. If you want to use the default stderr and longjump method,
3: * you can supply NULL for the last three parameters. We also supply the
4: * the compiler header file version, so that we know if the application
5: * was compiled with a compatible version of the library. REQUIRED
6: */
7: png_ptr = png_create_read_struct(PNG_LIBPNG_VER_STRING,
8: png_voidp user_error_ptr, user_error_fn, user_warning_fn);
初始化libpng的时候，用户可以指定自定义错误处理函数，如果不需要指定自定义错误处理函数，则传NULL即可。 png_create_read_struct函数返回一个png_structp变量，前面已经提到该变量不应该被用户访问，应该在以后调用 libpng的函数时传递给libpng库。
如果你需要提供自定义内存管理模块则需要调用png_create_read_struct_2来完成对libpng的初始化：
1: png_structp png_ptr = png_create_read_struct_2
2: (PNG_LIBPNG_VER_STRING, (png_voidp)user_error_ptr,
3: user_error_fn, user_warning_fn, (png_voidp)
4: user_mem_ptr, user_malloc_fn, user_free_fn)
2、创建图像信息——png_infop变量
1: /* Allocate/initialize the memory for image information. REQUIRED. */
2: info_ptr = png_create_info_struct(png_ptr);
3: if (info_ptr == NULL)
4: {
5: png_destroy_read_struct(&png_ptr, png_infopp_NULL, png_infopp_NULL);
6: return (ERROR);
7: }
如前面所说，用户将会通过png_infop变量来获得图片的信息，设置图片解码参数等。
3、设置错误返回点
上文libjpeg解码jpeg图片中提到用setjmp/longjmp函数来处理异常。libpng库默认集成这种机制来完成异常处理，如下代码初始化错误返回点：
1: /* Set error handling if you are using the setjmp/longjmp method (this is
2: * the normal method of doing things with libpng). REQUIRED unless you
3: * set up your own error handlers in the png_create_read_struct() earlier.
4: */
5: if (setjmp(png_jmpbuf(png_ptr)))
6: {
7: /* Free all of the memory associated with the png_ptr and info_ptr */
8: png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, png_infopp_NULL);
9: /* If we get here, we had a problem reading the file */
10: return (ERROR);
11: }
正如上面注释中提到情况，只有在初始化libpng的时候未指定用户自定义的错误处理函数情况下，才需要设置错误返回点。如果设置了用户自定义的错误处理函数，libpng将会调用用户自定义错误处理函数，而不会返回到这个调用点。
当libpng库出现错误的时候，libpng将会自动调用longjmp函数返回到这个点。在这个点我们可以进行必要的清理工作。
4、设置libpng的数据源
我在上文《图像解码之一——使用libjpeg解码jpeg图片》中提到，一个好的代码库应该能够运行用户输入各式各样的数据，而不能把输入数据定死。libpng在这方面做得非常的好，它提供了默认的文件输入流的支持，并且提供了用户自定义回调函数来完成png数据的输入。
对于文件流数据数据设置代码如下：
1: /* One of the following I/O initialization methods is REQUIRED */
2: def streams /* PNG file I/O method 1 */
3: /* Set up the input control if you are using standard C streams */
4: png_init_io(png_ptr, fp);
用户自定义回调函数设置libpng数据源的代码如下：
1: /* If you are using replacement read functions, instead of calling
2: * png_init_io() here you would call:
3: */
4: png_set_read_fn(png_ptr, (void *)user_io_ptr, user_read_fn);
5: /* where user_io_ptr is a structure you want available to the callbacks */
如果你已经使用png_sig_cmp函数来检查了png数据，需要调用png_set_sig_bytes函数来告诉libpng库，这样库处理数据的时候将会跳过相应的数据，具体请参考libpng手册。
5、png图像处理
这步有两种设置方案一种称为高层处理，一种称为底层处理。
高层处理
当用户的内存足够大，可以一次性读入所有的png数据，并且输出数据格式为如下libpng预定义数据类型时，可以用高层函数，下libpng预定义数据类型为：
PNG_TRANSFORM_IDENTITY No transformation
PNG_TRANSFORM_STRIP_16 Strip 16-bit samples to
8 bits
PNG_TRANSFORM_STRIP_ALPHA Discard the alpha channel
PNG_TRANSFORM_PACKING Expand 1, 2 and 4-bit
samples to bytes
PNG_TRANSFORM_PACKSWAP Change order of packed
pixels to LSB first
PNG_TRANSFORM_EXPAND Perform set_expand()
PNG_TRANSFORM_INVERT_MONO Invert monochrome images
PNG_TRANSFORM_SHIFT Normalize pixels to the
sBIT depth
PNG_TRANSFORM_BGR Flip RGB to BGR, RGBA
to BGRA
PNG_TRANSFORM_SWAP_ALPHA Flip RGBA to ARGB or GA
to AG
PNG_TRANSFORM_INVERT_ALPHA Change alpha from opacity
to transparency
PNG_TRANSFORM_SWAP_ENDIAN Byte-swap 16-bit samples
PNG_TRANSFORM_GRAY_TO_RGB Expand grayscale samples
to RGB (or GA to RGBA)
高层读取函数如下：
1: /*
2: * If you have enough memory to read in the entire image at once,
3: * and you need to specify only transforms that can be controlled
4: * with one of the PNG_TRANSFORM_* bits (this presently excludes
5: * dithering, filling, setting background, and doing gamma
6: * adjustment), then you can read the entire image (including
7: * pixels) into the info structure with this call:
8: */
9: png_read_png(png_ptr, info_ptr, png_transforms, png_voidp_NULL);
该函数将会把所有的图片数据解码到info_ptr数据结构中。png_transforms为整型参数，为上面libpng预定义的数据类型进行or操作得到。调用了该函数，就不可以再调用png_set_transform函数来设置输出数据。
该函数相当于调用底层函数（下文将会介绍）如下调用顺序：
a)调用png_read_info函数获得图片信息。
b)根据png_transforms所指示的，调用png_set_transform设置输出格式转换的函数。
c)调用png_read_image来解码整个图片的数据到内存。
d)调用png_read_end结束图片解码。
当你调用png_read_png之后，则可以调用如下函数得到png数据：
1: row_pointers = png_get_rows(png_ptr, info_ptr);
底层处理
a)读取输入png数据的图片信息：
1: /* The call to png_read_info() gives us all of the information from the
2: * PNG file before the first IDAT (image data chunk). REQUIRED
3: */
4: png_read_info(png_ptr, info_ptr);
该函数将会把输入png数据的信息读入到info_ptr数据结构中。
b)查询图像信息
前面提到png_read_info将会把输入png数据的信息读入到info_ptr数据结构中，接下来需要调用API查询该信息。
1: png_get_IHDR(png_ptr, info_ptr, &width, &height, &bit_depth, &color_type,
2: &interlace_type, int_p_NULL, int_p_NULL);
c)设置png输出参数（转换参数）
这步非常重要，用户可以指定输出数据的格式，比如RGB888，ARGB8888等等输出数据格式。通过png_set_xxxxx函数来实现，例如如下代码：
1: // expand images of all color-type and bit-depth to 3x8 bit RGB images
2: // let the library process things like alpha, transparency, background
3: if (bit_depth == 16)
4: png_set_strip_16(png_ptr);
5: if (color_type == PNG_COLOR_TYPE_PALETTE)
6: png_set_expand(png_ptr);
7: if (bit_depth<8)
8: png_set_expand(png_ptr);
9: if (png_get_valid(png_ptr, info_ptr, PNG_INFO_tRNS))
10: png_set_expand(png_ptr);
11: if (color_type == PNG_COLOR_TYPE_GRAY ||
12: color_type == PNG_COLOR_TYPE_GRAY_ALPHA)
13: png_set_gray_to_rgb(png_ptr);
如上代码将会把图像转换成RGB888的数据格式。这种转换函数还很多，请参阅libpng手册了解他们的作用。
虽然有很多设置输出参数的函数可以调用，但是用户的需求是无限的，很多输出格式libpng并不是原生支持的，比如YUV565，RGB565，YUYV 等等。幸好libpng提供了自定义转换函数的功能，可以让用户注册转换回调函数给libpng库，在libpng对输出数据进行转换的时候，先对 png_set_xxxxx函数设置的参数进行转换，最后将会调用用户自定义的转换函数进行转换。
1: png_set_read_user_transform_fn(png_ptr,
2: read_transform_fn);
read_transform_fn为用户自定义的数据转换函数。具体实现可以参考pngtest.c中的实现。
另外你可以通过png_set_user_transform_info告诉libpng你的转换函数的用户自定义数据结构和输出数据的详细信息，比如颜 色深度，颜色通道（channel）等等。你可能会问为什么要告诉libpng呢？libpng将会根据这些信息来更新png图片详细信息，后面会介绍。 定义如下：
1: png_set_user_transform_info(png_ptr, user_ptr,
2: user_depth, user_channels);
usr_ptr是用户自定义的数据结构，在用户自定义转换函数read_transform_fn中可以通过png_get_user_transform_ptr函数得到该数据结构，例如：
1: voidp read_user_transform_ptr =
2: png_get_user_transform_ptr(png_ptr);
d)更新png数据的详细信息
经过前面的设置png数据的图片信息肯定会有一些变化，则需要调用png_read_update_info函数更新图片的详细信息：
1: png_read_update_info(png_ptr, info_ptr);
该函数将会更新保存于info_ptr变量中的图片数据信息，然后可以再调用png_get_IHDR重新查询图片信息。
e)读取png数据
可以到用png_read_image函数，一次性把所有的数据读入内存，例如：
1: png_read_image(png_ptr, row_pointers);
也可以调用png_read_rows一次读入1行或多行到内存中，比如：
1: for (y = 0; y < height; y++)
2: {
3: png_read_rows(png_ptr, &row_pointers[y], png_bytepp_NULL, 1);
4: }
f)结束读取数据
通过png_read_end结束读取png数据，代码如下：
1: /* Read rest of file, and get additional chunks in info_ptr - REQUIRED */
2: png_read_end(png_ptr, info_ptr);
6、释放libpng的内存
调用png_destroy_read_struct来释放libpng的内存，代码如下：
1: /* Clean up after the read, and free any memory allocated - REQUIRED */
2: png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, png_infopp_NULL);
至此png数据解码，全部完成了。
总结：
通过上面的介绍，我们可以发现相对于libjpeg，libpng的扩展性非常好。我们基本上没有任何修改libpng库的需求，它的对外接口提供了足够的灵活性，允许我们扩展。从这个角度来讲，libpng库非常值得我们学习它的对外接口的定义。
