PNG 文件结构

PNG图像文件介绍

PNG图像文件格式

PNG是可携式网络图像（portable network graphics）的英文缩写。PNG是从网络上开始发展的，目的是替代GIF和JPG格式，PNG图像文件格式也是当今游戏中常用的图像资源文件格式 了。PNG图像文件支持的图像颜色非常丰富，存储灰度图时可使用16位色深表示，存储真彩色图像时色深更可达到48位之多。

PNG图像文件介绍

与BMP格式相比，PNG格式稍微复杂些。PNG图像支持从0～255级次的多层透明色，使用无损压缩的zlib压缩算法压缩图像数据。通常使用 zlib压缩过的图像文件大小比BMP使用的RLE压缩的效果好，BMP的RLE压缩算法只支持压缩8位以下的图像，对于16位以上的真彩色图像不支持图 像压缩，PNG使用的zlib压缩算法支持任何色深的图像数据压缩，压缩后的图像数据可以完整还原，相比之下JPG需要牺牲图像质量使用有损压缩来获得大 的压缩率。

最后有一点需要注意，PNG图像格式使用Big-Endian顺序存储数据。

PNG图像文件存储结构（1）

PNG文件存储结构的格式可以在http://www.w3.org/TR/REC-png.htm上找到定义。

BMP文件总体上由两部分组成，分别是PNG文件标志和数据块（chunks），如表5-8所示。其中数据块分为两类：关键数据块（critical chunk）和辅助数据块（ancillary chunks）。

表5-8 PNG文件的组成结构

PNG文件标志

数据块（chunks）

1．PNG文件标志

PNG文件标志由8字节数据组成：89 50 4E 47 0D 0A 1A 0Ah，其中50 4E 47对应的ASCII值是"PNG"。

2．数据块（chunks）

紧跟在PNG文件标志后面的数据是数据块（chunks），数据块（chunks）分为两类：关键数据块（critical chunks）和辅助数据块（ancillary chunks）。

关键数据块（critical chunk）在PNG文件中是必须有的，而辅助数据块（ancillary chunks）是可选的。

关键数据块（critical chunks）由4部分组成：文件头数据块（IHDR）、调色板数据块（PLTE）、图像数据块（IDAT）和图像结束数据（IEND），其中调色板数据块（PLTE）根据图像的色深可选。

辅助数据块（ancillary chunks）一共有14个，这些辅助数据块包含了很多信息，辅助数据块不是必须包含的。

PNG文件的关键数据块和辅助数据块的组织顺序如表5-9和表5-10所示。

表5-9 PNG文件的关键数据块(critical chunks)组织顺序

数据块名称

允许多

个数据块

位   置

文件头数据块（IHDR）

不允许

第一个数据块

调色板数据块（PLTE）

不允许

第二个数据块，可选

图像数据块（IDAT）

允许

如果有调色板数据块（PLTE），则是第三个数据块，如果没有调色板数据块（PLTE），则时第二个数据块。如果有多个图像数据块，则必须按图像数据连续存储

图像结束数据（IEND）

不允许

最后一个数据块

表5-10 PNG文件的辅助数据块(ancillary chunks)组织顺序

数据块名称

允许多个

数据块

位   置

基色和白色点数据块（cHRM）

不允许

在PLTE和IDAT之前

图像γ数据块（gAMA）

不允许

在PLTE和IDAT之前

ICCP(iCCP)

允许

在PLTE之后IDAT之前如果有iCCP，则无sRGB

 

数据块名称

允许多个

数据块

位   置

样本有效位数据块（sBIT）

不允许

在PLTE和IDAT之前

标准RPG颜色（sRGB）

不允许

在PLTE之后IDAT之前如

果有sRGB，则无iCCP

背景颜色数据块（bKGD）

不允许

在PLTE之后IDAT之前

图像直方图数据块（hIST）

不允许

在PLTE之后IDAT之前

图像透明数据块（tRNS）

不允许

在PLTE之后IDAT之前

物理像素尺寸数据块（pHYs）

不允许

在IDAT之前

建议调色板（sPLT）

允许

在IDAT之前

图像最后修改时间数据块（tIME）

不允许

无限制

国际文本数据（iTXt）

允许

无限制

文本信息数据块（tEXt）

允许

无限制

压缩文本数据块（zTXt）

允许

无限制

 

PNG图像文件存储结构（2）

用图像可以清晰显示表5-9和表5-10之间的关系，如图5-13和图5-14所示。

 

 

 

（点击查看大图）图5-13  包含调色板数据块（PLTE）的PNG图像文件格式

 

 

（点击查看大图）图5-14  不包含调色板数据块（PLTE）的PNG图像文件格式

图中上标的含义如表5-11所示。

表5-11 上标的含义

符   号

含   义

1

只有1个

+

1个或多个

？

0个或1个

*

0个或多个

|

2选1

PNG图像文件中每一块数据块的格式都是相同的，分别由4个部分组成，格式如表5-12所示。

表5-12 PNG文件的数据块格式

字 段 名

大小（单

位：字节）

描   述

Length（长度）

4

指定数据块中的数据长度

Chunk Type Code（数据块类型码）

4

数据块类型，例如

IHDR、PLTE、IDAT等

Chunk Data（数据块数据）

Length

存储数据

CRC（循环冗余检测）

4

循环冗余码

CRC循环冗余码生成的计算方式是通过对Chunk Type Code和Chunk Data中的数据进行计算得到的，计算方式如下：

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

 

PNG图像文件存储结构（3）

下面将讲解在PNG文件中的4个关键数据块（critical chunk）的含义。

① 文件头数据块（IHDR）

文件头数据块（IHDR）它包含有PNG文件中存储的图像数据的基本信息，如图像的宽高、色深、颜色类型、压缩方式等。一个PNG文件只能有一个文件头数据块，表5-13列出了文件头数据块（IHDR）中各字段的含义。

表5-13 文件头数据块(IHDR) 中各字段的含义

字段名

大小（单

位：字节）

描   述

Width

4

图像宽度，以像素为单位

Height

4

图像高度，以像素为单位

Bit depth

1

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

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

Compression

 method

1

压缩方法（LZ77变种算法）

Filter method

1

滤波器方法

Interlace

 method

1

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）

文件头数据块（IHDR）结构可以使用如下代码定义：

typedef struct {
DWORD btChunkLen;
CHAR btChunkType[4];
} PNG_CHUNK_HEADER;
typedef enum  pngColorSpaceType {
GrayScale = 0,
TrueColor = 2,
Indexed = 3,
AlphaGrayScale = 4,
AlphaTrueColor = 6
} PNG_COLOR_SPACE_TYPE;
// Compression Methods
typedef enum   pngCompressionMethod {
Deflate = 0
} PNG_COMPR_METHOD;
// Filter Methods
typedef enum  pngFilterMethod {
AdaptiveFiltering = 0
} PNG_FILTER_METHOD;
// Interlace Methods
typedef enum  pngInterlaceMethod {
NoInterlace = 0,
Adam7Interlace = 1
} PNG_INTERLACE_METHOD;
// IHDR data
typedef struct {
UINT                 width;
UINT                 height;
BYTE                 bit_depth;
PNG_COLOR_SPACE_TYPE color_type;
PNG_COMPR_METHOD     compr_method;
PNG_FILTER_METHOD    filter_method;
PNG_INTERLACE_METHOD interlace_method;
} IHDR_CHUNK_DATA;

 

② 调色板数据块（PLTE）

PNG的调色板数据块（PLTE）和之前介绍BMP图像格式中的调色板类似，都是提供给8位色深以下的图像使用。PNG的调色板由3个字节组成，每个字节分别表示红、绿、蓝三色的颜色值。

对于PNG图像文件来说，大于8位色深的图像，如真彩色图像也可以使用调色板，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。

一个PNG文件只能有一个调色板数据块，调色板数据块从下标0开始，表5-14列出了调色板数据块（PLTE）中各字段的含义。

表5-14 调色板数据块(PLTE) 中各字段的含义

字段名

大小（单

位：字节）

描   述

btRed

1

红色颜色值

btGreen

1

绿色颜色值

btBlue

1

蓝色颜色值

调色板数据块（PLTE）结构可以使用如下代码定义：

typedef struct {
BYTE btRed ;
BYTE btGreen;
BYTE btBlue;
} PNG_PALETTE_PIXEL;

 

PNG图像文件存储结构（4）

③ 图像数据块（IDAT）

PNG的图像数据块（IDAT）存储图像的实际数据，相当于BMP图像的图像数据，由于PNG可包含多幅图像，所以PNG的图像数据块可能是由一幅图像的数据组成，也可能是由多幅图像的数据组成。

图像数据块中的图像数据可能是经过变种的LZ77压缩编码DEFLATE压缩的，关于DEFLATE详细介绍可以参考《DEFLATE Compressed Data Format Specification version 1.3》，网址： http://www.ietf.org/rfc/rfc1951.txt 。

图像数据块（IDAT）结构可以使用如下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
BYTE idatChunkData[chunkHdr.btChunkLen];
DWORD idatCrc <format=hex>;

④ 图像结束数据（IEND）

PNG的图像结束数据（IEND）用来标记PNG文件结束，并且必须要放在文件的尾部。一般情况下，所有PNG图像结束数据（IEND）的十六进制数值都是一样的，具体的数值如下：

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

PNG的辅助数据块（ancillary chunks）一共有14个，可以分为5类，如表5-10所示，由于篇幅关系不能将全部辅助数据块（ancillary chunks）的详细结构进行说明，如果读者有兴趣请参考 http://www.w3.org/TR/REC-png.html。

分析PNG图像文件结构（1）

结合上面对PNG文件的分析，下面分别对256色和16位色的PNG图像进行十六进制分析，通过分析PNG文件让读者更深入了解PNG文件格式。

如图5-15和图5-16所示，分别为256色PNG图像pic1.png和16位色PNG图像pic2.png。其中pic1.png图像的分辨 率为200×150，文件大小为19 534 字节。pic2.png图像的分辨率为200×150，文件大小为104 744字节，带透明通道。

 

图5-15  pic1.png图像

 

 

图5-16  pic2.png图像

现在来分析pic1.png的图像文件，在Winhex中打开pic1.png，如图5-17所示。

 

（点击查看大图）图5-17  在Winhex中打开pic1.png文件

首先分析PNG的文件标志。根据PNG文件的定义，从文件头开始前8字节数据是PNG文件的标志，如图5-18所示。

 

（点击查看大图）图5-18  PNG文件的文件标志

接下来应该就是PNG文件的数据块结构了，按照前面对PNG文件结构的分析，第一个数据块应该是文件头数据块（IHDR）数据块，文件头数据块（IHDR）定义了PNG文件的宽高、色深、压缩方法等参数，如图5-19所示。

 

（点击查看大图）图5-19  文件头数据块（IHDR）结构

分析PNG图像文件结构（2）

表5-15归纳了pic1.png图像文件中文件头数据块（IHDR）中各字段的含义。由于PNG文件使用Big-Endian顺序存储数据，所以不需要反转字节数据理解。

表5-15 pic1.png图像文件中文件头数据块(IHDR)的各字段含义

十六进制值

描   述

00 00 00 0D

文件头的数据长度，00 00 00 0D =13

49 48 44 52

数据块类型标志，49 48 44 52的ASCII值等于IHDR

00 00 00 C8

图像的宽度，00 00 00 C8 = 200

00 00 00 96

图像的高度，00 00 00 96 = 150

08

色深，表示2的8次幂等于256色

03

03表示索引图像

00

00表示使用Deflate压缩编码压缩图像数据

00

00表示为将来使用更好的压缩方法预留

00

00表示非隔行扫描

AC 02 37 2B

AC 02 37 2B表示CRC

从表5-14看到pic1.png文件的文件头数据块（IHDR）结构中的CRC字段的值为AC 02 37 2B，这个CRC值是按照从数据块类型标志字段到CRC字段前一字节的数据计算而来的，即使用数据49 48 44 52 00 00 00 C8 00 00 00 96 08 03 00 00 00计算，CRC的计算代码如下：

   /*8位消息的CRC表格*/
unsigned long crc_table[256];

/*Flag：CRC表格计算完了吗？初始化 False*/
int crc_table_computed = 0;

/*写一个CRC表格*/
void make_crc_table(void)
{
unsigned long c;
int n, k;

for (n = 0; n < 256; n++) {
c = (unsigned long) n;
for (k = 0; k < 8; k++) {
if (c & 1)
c = 0xedb88320L ^ (c >> 1);
else
c = c >> 1;
}
crc_table[n] = c;
}
crc_table_computed = 1;
}
/*使用bu[0..len-1]更新CRC表格*/
unsigned long update_crc(unsigned long crc, unsigned char *buf,
int len)
{
unsigned long c = crc;
int n;

if (!crc_table_computed)
make_crc_table();
for (n = 0; n < len; n++) {
c = crc_table[(c ^ buf[n]) & 0xff] ^ (c >> 8);
}
return c;
}

/* 返回 CRC表格buf[0..len-1]. */
unsigned long crc(unsigned char *buf, int len)
{
return update_crc(0xffffffffL, buf, len) ^ 0xffffffffL;
}
main()
{
/*计算CRC需要的初始化数据，不同的数据块有不同的初始化数据*/
unsigned char buf[17] = {
0x49,0x48,0x44,0x52,0x00,0x00,0x00,0xC8,0x00,
0x00,0x00,0x96,0x08,0x03,0x00,0x00,
0x00
};
unsigned long value=0;
value= crc(buf,17);
}

继续分析下面的数据块，PNG图像文件的数据块类型由数据块类型标志决定，按照PNG图像文件中数据块的数据结构分析，接下来的数据块是物理像素尺寸数据块（pHYs），物理像素尺寸数据块（pHYs）指定像素大小或图像的宽和高的比例。

表5-16所示为物理像素尺寸数据块（pHYs）中各字段的含义。

表5-16 物理像素尺寸数据块(pHYs) 中各字段的含义

字 段 名

大小（单

位：字节）

描   述

physPixelPerUnitX

4

每单位多少像素，x轴

physPixelPerUnitY

4

每单位多少像素，y轴

UnkownUnit，Meter

1

枚举类型，UnkownUnit=0，表示只定义了像素显示的比例，未定义实际像素大小。

枚举类型，Meter=1，表示定义单位为米

物理像素尺寸数据块（pHYs）的结构可以用以下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr ;
uint physPixelPerUnitX;
uint physPixelPerUnitY;
enum {
UnkownUnit = 0,
Meter = 1
} pHYs;
DWORD pHYsCrc;

图5-20所示为pic1.png中的物理像素尺寸数据块（pHYs）的结构。

 

（点击查看大图）图5-20  pic1.png中的物理像素尺寸数据块（pHYs）的结构

分析PNG图像文件结构（3）

表5-17所示为pic1.png图像文件中物理像素尺寸数据块（pHYs）中各字段的含义。

表5-17 pic1.png图像文件中物理像素尺寸数据块(pHYs)中各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 00 09

物理像素尺寸数据块的长度，00 00 00 09 =9

70 48 59 73

数据块类型标志，70 48 59 73的ASCII值等于pHYs

00 00 0B 13

x轴上每米像素的数量，00 00 0B 13 = 2835，即每米2835个像素

00 00 0B 13

y轴上每米像素的数量，00 00 0B 13 = 2835，即每米2835个像素

01

Meter=1，将单位定义为米

00 9A 9C 18

CRC值

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是iCCP，iCCP数据块是PNG解码时进行特殊的颜色处理信息。

iCCP数据块的结构可以用以下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr
typedef struct {
string profile_name;
unsigned byte red;
} PNG_ICCP_CHUNK_DATA;
DWORD ICCPCrc;

 

图5-21所示为pic1.png中的iCCP的数据结构。

 

（点击查看大图）图5-21  pic1.png图像文件中iCCP数据块结构

 

 

（点击查看大图）图5-21  pic1.png图像文件中iCCP数据块结构


表5-18所示为pic1.png图像文件中的iCCP数据块各字段的含义。

表5-18 pic1.png图像文件中的iCCP数据块各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 0A 4D

ICCP数据块的长度，00 00 0A 4D = 2637

69 43 43 50

数据块类型标志，69 43 43 50的ASCII值等于iCCP

50 68 6F 74 6F 73 68 6F 70 20 49 43 43 20 70 72 6F 66 69 6C 65 00

配置文件名，长度1～79字节，以0作为终止符的字符串。

50 68 6F 74 6F 73 68 6F 70 20 49 43 43 20 70 72 6F 66 69 6C 65 00的ASCII值等于Photoshop ICC profile

00

压缩方法，0表示使用deflate压缩

78 DA 9D 53～F7 84 F3 FB

压缩后的配置文件，解码时使用

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是gAMA，gAMA数据块是PNG解码时进行gamma校正的信息。

gAMA数据块的结构可以用以下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
BYTE gamaChunkData[chunkHdr.btChunkLen];
DWORD gamaCrc;

图5-22所示为pic1.png中的gAMA的数据结构：

 

（点击查看大图）图5-22  pic1.png图像文件中gAMA数据块结构

分析PNG图像文件结构（4）

表5-19所示为pic1.png图像文件中的gAMA数据块各字段的含义。

表5-19 pic1.png图像文件中的gAMA数据块各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 00 04

gAMA数据块的长度，00 00 00 04 = 4

67 41 4D 41

数据块类型标志，67 41 4D 41的ASCII值等于gAMA

00 00 B1 8E

gamma校正信息

7C F8 51 93

CRC值

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是cHRM，cHRM是在设备不能够显示正确的颜色时，使图像尽可能校正颜色的信息，也叫做设备无关的颜色信息。

cHRM数据块的结构可以用以下代码定义：

typedef struct {
uint x;
uint y;
} PNG_POINT;
typedef struct {
PNG_POINT white;
PNG_POINT red;
PNG_POINT green;
PNG_POINT blue;
} PNG_CHRM_CHUNK_DATA;
PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
PNG_CHRM_CHUNK_DATA chrmChunkData;
DWORD chrmCrc;

图5-23所示为pic1.png中的cHRM的数据结构。

 

（点击查看大图）图5-23  pic1.png图像文件中cHRM数据块结构

表5-20所示为pic1.png图像文件中的cHRM数据块各字段的含义。

表5-20 pic1.png图像文件中的cHRM数据块各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 00 20

cHRM数据块的长度，00 00 00 20 = 32

63 48 52 4D

数据块类型标志，63 48 52 4D的ASCII值等于cHRM

00 00 7A 25

白色点的x轴坐标，00 00 7A 25 = 31269

续表

十六进制值

描   述

00 00 80 83

白色点的y轴坐标，00 00 80 83 = 32899

00 00 F9 FF

红x坐标，00 00 F9 FF = 63999

00 00 80 E9

红y坐标，00 00 80 E9 = 33001

00 00 75 30

绿x坐标，00 00 75 30 = 30000

00 00 EA 60

绿y坐标，00 00 EA 60 = 60000

00 00 3A 98

蓝x坐标，00 00 3A 98 = 15000

00 00 17 6F

蓝x坐标，00 00 17 6F = 5999

92 5F C5 46

CRC值

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是调色板数据块（PLTE），因为pic1.png是256色图像，所以应该有256个调色板项，每个调色板项占3字节。

调色板数据块（PLTE）的结构可以用以下代码定义：

typedef struct {
BYTE btRed;
BYTE btGreen;
BYTE btBlue;
} PNG_PALETTE_PIXEL;
PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
PNG_PALETTE_PIXEL plteChunkData[chunkHdr.btChunkLen/3];
DWORD plteCrc;

 

分析PNG图像文件结构（5）

图5-24所示为pic1.png中的调色板数据块（PLTE）的数据结构。

 

（点击查看大图）图5-24  pic1.png图像文件中调色板数据块（PLTE）结构

 

 

（点击查看大图）图5-24  pic1.png图像文件中调色板数据块（PLTE）结构

表5-21 所示为pic1.png图像文件中的调色板数据块（PLTE）各字段的含义。

表5-21 pic1.png图像文件中调色板数据块(PLTE)各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 03 00

PLTE数据块的长度，00 00 03 00 = 768

50 4C 54 45

数据块类型标志，50 4C 54 45的ASCII值等于PLTE

00 00 00

调色板第1个索引

FF FF FF

调色板第2个索引

EA FF FF

调色板第3个索引

…………

调色板第…个索引

E4 DC DC

调色板第255个索引

FF FF FF

调色板第256个索引

7D 2C 3D AD

CRC值

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是图像透明数据块（tRNS），对于256色图像来说，图像透明数据块（tRNS）一共有256项，每项对应调色板数据块中的一项，00代表透明，FF代表不透明。

图像透明数据块（tRNS）的结构可以用以下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
BYTE trnsChunkData[chunkHdr.btChunkLen]
DWORD trnsCrc;

图5-25所示为pic1.png中的图像透明数据块（tRNS）的数据结构。

 

（点击查看大图）图5-25  pic1.png图像文件中图像透明数据块（tRNS）的结构

表5-22所示为pic1.png图像文件中的图像透明数据块（tRNS）各字段的含义。

表5-22 pic1.png图像文件中图像透明数据块(tRNS)各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 01 00

tRNS数据块的长度，00 00 01 00 = 256

74 52 4E 53

数据块类型标志，74 52 4E 53的ASCII值等于tRNS

FF～00

图像透明数据块，一共256个，每个对应调色板中的一项，00代表透明，FF代表不透明

53 F7 07 25

CRC值

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是图像数据块（IDAT）。对于256色图像来说，图像数据块（IDAT）存放的是 指向调色板的索引序号，对于16位色以上图像，图像数据块（IDAT）存放的是实际像素颜色，按0xRRGGBB排列。需要注意的是，图像数据块 （IDAT）中的数据是经过变种的LZ77压缩过的。

 

 

图像数据块（IDAT）的结构可以用以下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
BYTE idatChunkData[chunkHdr.btChunkLen];
DWORD idatCrc;

分析PNG图像文件结构（6）

图5-26所示为pic1.png中的图像数据块（IDAT）的数据结构。

 

（点击查看大图）图5-26  pic1.png中的图像数据块（IDAT）的数据结构

 

 

（点击查看大图）图5-26  pic1.png中的图像数据块（IDAT）的数据结构

表5-23所示为pic1.png图像文件中的图像数据块（IDAT）各字段的含义。

表5-23 pic1.png图像文件中图像数据块(IDAT)各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 3D 53

IDAT数据块的长度，00 00 3D 53 = 15699

49 44 41 54

数据块类型标志，49 44 41 54的ASCII值等于IDAT

78～67

图像数据块，一共15699字节，使用变种的LZ77压缩过

0E EE 51 34

CRC值

继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是图像结束数据（IEND），一般情况下所有PNG图像的图像结束数据（IEND）是一样的，除非自行修改。

图像结束数据（IEND）的结构可以用以下代码定义：

PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;
DWORD idatCrc;

 

图5-27所示为pic1.png中的图像结束数据（IEND）的数据结构。

 

（点击查看大图）图5-27  pic1.png中的图像结束数据（IEND）的数据结构

表5-24所示为pic1.png图像文件中的图像结束数据（IEND）各字段的含义。

表5-24 pic1.png图像文件中图像结束数据(IEND)各字段的含义

十六进制值

描   述

00 00 00 00

IEND数据块的长度，00 00 00 00 = 0

49 45 4E 44

数据块类型标志，49 45 4E 44的ASCII值等于IEND

AE 42 60 82

CRC值

pic1.png文件格式已经分析完毕，pic2.png的文件格式可以参考上面pic1.png的分析，表5-25显示了pic1.png和pic2.png的文件结构区别。

表5-25 pic1.png和pic2.png的文件结构区别

pic1.png文件结构

pic2.png文件结构

IHDR

IHDR

pHYs

pHYs

iCCP

iCCP

gAMA

gAMA

cHRM

cHRM

PLTE

×

tRNS

×

IDAT

IDAT

IEND

IEND

从表5-24可以看出pic2.png没有PLTE和tRNS数据块，因为pic2.png是16位色图像不需要使用调色板。

PNG图像文件存储的数据块比较多，一般情况每个PNG图像文件的iCCP、gAMA和cHRM数据块中的数据是一样的，只有IHDR和pHYs两个数据块中某些字段数据不同，如图5-28所示。

 

（点击查看大图）图5-28  两张不同的PNG格式图像的区别

 

 

（点击查看大图）图5-28  两张不同的PNG格式图像的区别

所 以很多时候游戏编程人员为了节省游戏资源占用的硬盘空间，去掉了PNG图像文件的某些数据块。如果游戏的资源打包文件包含了PNG图像文件，但去掉了 PNG某些数据块，这样对分析游戏资源包文件格式带来了一定的困难，但幸好PNG图像文件的某些数据块还是要保留的，例如图像数据块（IDAT），通过识 别某些数据块的标识字符串还是比较容易识别出PNG格式的。

 

PNG文件结构分析之一 dayf,2009-08-16 15:07:43


前言


我 们都知道，在进行J2ME的手机应用程序开发的时候，在图片的使用上，我们可以使用PNG格式的图片（甚至于在有的手机上，我们只可以使用PNG格式的图 片），尽管使用图片可以为我们的应用程序增加不少亮点，然而，只支持PNG格式的图片却又限制了我们进一步发挥的可能性（其实，应该说是由于手机平台上的 处理能力有限）。 在MIDP2中，或者某些厂商（如NOKIA）提供的API中，提供了drawPixels/getPixels的方法，这些方法进一步提高了开发者处理 图片的灵活性，然而，在MIDP2还未完全普及的今天，我们需要在MIDP1 .0中实现这类方法还属于异想天开，因此，为了实现更高级的应用，我们必须充分挖掘PNG的潜力。
PNG的文件结构
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：

十进制数

137 80 78 71 13 10 26 10

十六进制数

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


PNG数据块（Chunk）
PNG 定义了两种类型的数据块，一种是称为关键数据块(critical chunk)，这是标准的数据块，另一种叫做辅助数据块(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。

PNG文件格式中的数据块

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


为了简单起见，我们假设在我们使用的PNG文件中，这4个数据块按以上先后顺序进行存储，并且都只出现一次。
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


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。
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

Compression 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。
  • 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。
  • 色深：所有的色深都能被支持。
  • 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：））
  • 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。
    bKGD cHRM gAMA hIST iCCP iTXt pHYs
    sBIT sPLT sRGB tEXt tIME tRNS zTXt


关于更多的信息，可以参考http://www.w3.org/TR/REC-png.html
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。
    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。
    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。
    实例研究PNG
    以下是由Fireworks生成的一幅图像，图像大小为8*8，为了方便大家观看，我们将图像放大：


    使用UltraEdit32打开该文件，如下：
    00000000~00000007：

    可以看到，选中的头8个字节即为PNG文件的标识。
    接下来的地方就是IHDR数据块了：
    00000008~00000020：
    00 00 00 0D 说明IHDR头块长为13
  • 49 48 44 52 IHDR标识
  • 00 00 00 08 图像的宽，8像素
  • 00 00 00 08 图像的高，8像素
  • 04 色深，2^4=16，即这是一个16色的图像（也有可能颜色数不超过16，当然，如果颜色数不超过8，用03表示更合适）
  • 03 颜色类型，索引图像
  • 00 PNG Spec规定此处总为0（非0值为将来使用更好的压缩方法预留），表示使压缩方法(LZ77派生算法)
  • 00 同上
  • 00 非隔行扫描
  • 36 21 A3 B8 CRC校验


00000021~0000002F：

可选数据块sBIT，颜色采样率，RGB都是256（2^8=256）
00000030~00000062：

这里是调色板信息

  • 00 00 00 27 说明调色板数据长为39字节，既13个颜色数
  • 50 4C 54 45 PLTE标识
  • FF FF 00 颜色0
  • FF ED 00 颜色1
  • …… ……
  • 09 00 B2 最后一个颜色，12
  • 5F F5 BB DD CRC校验


00000063~000000C5：

这部分包含了pHYs、tExt两种类型的数据块共3块，由于并不太重要，因此也不再详细描述了。

000000C0~000000F8：

以上选中部分是IDAT数据块

  • 00 00 00 27 数据长为39字节
  • 49 44 41 54 IDAT标识
  • 78 9C…… 压缩的数据，LZ77派生压缩方法
  • DA 12 06 A5 CRC校验


IDAT中压缩数据部分在后面会有详细的介绍。
000000F9~00000104：

IEND数据块，这部分正如上所说，通常都应该是
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
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：


参考资料：
PNG文件格式白皮书：http://www.w3.org/TR/REC-png.html
为数不多的中文PNG格式说明：http://dev.gameres.com/Program/Visual/Other/PNGFormat.htm
RFC-1950(ZLIB Compressed Data Format Specification)：ftp://ds.internic.net/rfc/rfc1950.txt
RFC-1950(DEFLATE Compressed Data Format Specification)：ftp://ds.internic.net/rfc/rfc1951.txt
LZ77算法的JAVA实现：http://jazzlib.sourceforge.net/
LZ77算法的JAVA实现，包括J2ME版本：http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

 

详见: http://wenku.baidu.com => PNG图像文件介绍

 

 

 

posted @ 2014-01-17 09:30  zTercel  阅读(2221)  评论(0)  编辑  收藏  举报