PNG的文件结构

时间:2021-10-16 10:19:50

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

第一块

cHRM

基色和白色点数据块

PLTEIDAT之前

gAMA

图像γ数据块

PLTEIDAT之前

sBIT

样本有效位数据块

PLTEIDAT之前

PLTE

调色板数据块

IDAT之前

bKGD

背景颜色数据块

PLTE之后IDAT之前

hIST

图像直方图数据块

PLTE之后IDAT之前

tRNS

图像透明数据块

PLTE之后IDAT之前

oFFs

(专用公共数据块)

IDAT之前

pHYs

物理像素尺寸数据块

IDAT之前

sCAL

(专用公共数据块)

IDAT之前

IDAT

图像数据块

与其他IDAT连续

tIME

图像最后修改时间数据块

无限制

tEXt

文本信息数据块

无限制

zTXt

压缩文本数据块

无限制

fRAc

(专用公共数据块)

无限制

gIFg

(专用公共数据块)

无限制

gIFt

(专用公共数据块)

无限制

gIFx

(专用公共数据块)

无限制

IEND

图像结束数据

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-Za-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 3309ITU-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:124
灰度图像:124816 
真彩色图像:816

ColorType

1 byte

颜色类型:
0:灰度图像, 124816 
2:真彩色图像,816 
3:索引彩色图像,124
4:带α通道数据的灰度图像,816 
6:带α通道数据的真彩色图像,816

Comdivssion 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(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0deflate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01两种方式,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 = 

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12……,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000 00 00 00,除非人为加入信息),数据标识总是IEND49 45 4E 44),因此,CRC码也总是AE 42 60 82