前言

PNG,JPEG,GIF,BMP作为数据压缩文件,有许多重要的信息我们需要区深度解析。

一.PNG的文件结构

1.1、数据块构成结构

PNG文件结构很简单,主要有数据块(Chunk Block)组成,最少包含4个数据块。

PNG标识符 PNG数据块(IHDR) PNG数据块(其他类型数据块) ... PNG结尾数据块(IEND)

1.2、所有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

1.3、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)组成的“数据块符号”

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

CRC: 一种校验算法。仅仅用来校验数据的正确性的,这里因为使用了4个字节,说明使用的是CRC32标准算法。

二.PNG图像标识符

根据PNG文件的定义来说,其文件头位置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

JPEG,PNG,GIF,BMP等图片都具有不同的图像标识符号,判读一个文件的正确mimeType类型,更应该通过标识符,而不是通过后缀名判断,下面这种方法是不可靠的,因为后缀名可以随便修改。

boolean isPNG = filename.endsWith(".png");

同样,jdk本身提供api判断文件 mime type依旧有问题的,他同样是根据后缀名判断,甚至不去检测文件是否存在。

String contentTypeFor = URLConnection.getFileNameMap().getContentTypeFor("123.gif");

三.IHDR数据块

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)

由于本文很多设计到了PNG在手机方面的应用,因此在此提出MIDP1.0对所使用PNG图片的要求:

  • 在MIDP1.0中,只可以使用1.0版本的PNG图片。
  • 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。
  • 滤波器方法:在PNG中所有的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之一 (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

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alpha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,

为了方便观看,将图像放大:


使用UltraEdit32或者WinHex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

CRC校验代码如下:

import java.util.zip.CRC32;

public class CrcTest {

    public static void main(String[] args) {

         byte[] checkData = new byte[]{0x49,0x48,0x44,0x52,0x00,0x00,0x00, 0x08,0x00,0x00,0x00, 0x08,0x04,0x03,0x00,0x00,0x00};
CRC32 crc32 = new CRC32();
crc32.update(checkData);
long value = crc32.getValue(); byte[] intToBytes = longToBytes(value);
String bytesToHexString = bytesToHexString(intToBytes);
System.out.println(bytesToHexString); } public static byte[] longToBytes(long value)
{
byte[] src = new byte[4];
src[0] = (byte) ((value>>24) & 0xFF);
src[1] = (byte) ((value>>16)& 0xFF);
src[2] = (byte) ((value>>8)&0xFF);
src[3] = (byte) (value & 0xFF);
return src;
}
//将字节数组按16进制输出
public static String bytesToHexString(byte[] src){ StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder("");
if (src == null || src.length <= 0) {
return null;
}
for (int i = 0; i < src.length; i++)
{
int v = src[i] & 0xFF;
String hv = Integer.toHexString(v); if (stringBuilder.length() != 0) {
stringBuilder.append(",");
}
if (hv.length() < 2) {
stringBuilder.append(0);
}
stringBuilder.append(hv);
}
return stringBuilder.toString();
} }

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。参考:打造自由换色的png图片类。

  • 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:

  • http://jazzlib.sourceforge.net/
  • http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

四.PNG文件结构分析(下:在手机上生成PNG文件)

上面我们已经对PNG的存储格式有了了解,因此,生成PNG图片只需要按照以上的数据块写入文件即可。

(由于IHDR、PLTE的结构都非常简单,因此,这里我们只是重点讲一讲IDAT的生成方法,IHDR和PLTE的数据内容都沿用以上的数据内容)

问题确实是这样的,我们知道,对于大多数的图形文件来说,我们都可以将实际的图像内容映射为一个二维的颜色数组,对于上面的PNG文件,由于它用的是16色的调色板(实际是13色),因此,对于图片的映射可以如下:

12 11 10 9 8 7 6 5
11 10 9 8 7 6 5 4
10 9 8 7 6 5 4 3
9 8 7 6 5 4 3 2
8 7 6 5 4 3 2 1
7 6 5 4 3 2 1 0
6 5 4 3 2 1 0 0
5 4 3 2 1 0 0 0

PNG Spec中指出,如果PNG文件不是采用隔行扫描方法存储的话,那么,数据是按照行(ScanLine)来存储的,为了区分第一行,PNG规定在每一行的前面加上0以示区分,因此,上面的图像映射应该如下:

0 12 11 10 9 8 7 6 5
0 11 10 9 8 7 6 5 4
0 10 9 8 7 6 5 4 3
0 9 8 7 6 5 4 3 2
0 8 7 6 5 4 3 2 1
0 7 6 5 4 3 2 1 0
0 6 5 4 3 2 1 0 0
0 5 4 3 2 1 0 0 0

另外,需要注意的是,由于PNG在存储图像时为了节省空间,因此每一行是按照位(Bit)来存储的,而并不是我们想象的字节(Byte),如果你没有忘记的话,我们的IHDR数据块中的色深就指明了这一点,所以,为了凑成PNG所需要的IDAT,我们的数据得改成如下:

0 203 169 135 101
0 186 152 118 84
0 169 135 101 67
0 152 118 84 50
0 135 101 67 33
0 118 84 50 16
0 101 67 33 0
0 84 50 16 0

最后,我们对这些数据进行LZ77压缩就可以得到IDAT的正确内容了。

然而,事情并不是这么简单,因为我们研究的是手机上的PNG,如果需要在手机上完成LZ77压缩工作,消耗的时间是可想而知的,因此,我们得再想办法加减少压缩时消耗的时间。

好在LZ77也提供了无压缩的压缩方法(奇怪吧?),因此,我们只需要简单的使用无压缩的方式写入数据就可以了,这样虽然浪费了空间,却换回了时间!

好了,让我们看一看怎么样凑成无压缩的LZ77压缩块:

字节

意义

0~2 压缩信息,固定为0x78, 0xda, 0x1
3~6 压缩块的LEN和NLEN信息

压缩的数据

最后4字节 Adler32信息

其中的LEN是指数据的长度,占用两个字节,对于我们的图像来说,第一个Scan Line包含了5个字节(如第一行的0, 203, 169, 135, 101),所以LEN的值为5(字节/行) * 8(行) = 40(字节),生成字节为28 00(低字节在前),NLEN是LEN的补码,即NLEN = LEN ^ 0xFFFF,所以NLEN的为 D7 FF,Adler32信息为24 A7 0B A4(具体算法见源程序),因此,按照这样的顺序,我们生成IDAT数据块,最后,我们将IHDR、PLTE、IDAT和IEND数据块写入文件中,就可以得到PNG文件了,如图:

(选中的部分为生成的“压缩”数据)

至此,我们已经能够采用最快的时间将数组转换为PNG图片了。

五.参考文献

详解PNG文件结构的更多相关文章

  1. 音视频入门-11-PNG文件格式详解

    * 音视频入门文章目录 * PNG 文件格式解析 PNG 图像格式文件由一个 8 字节的 PNG 文件署名域和 3 个以上的后续数据块(IHDR.IDAT.IEND)组成. PNG 文件包括 8 字节 ...

  2. nginx之旅(第一篇):nginx下载安装、nginx启动与关闭、nginx配置文件详解、nginx默认网站

    一.nginx下载安装 版本nginx 1.15.5 系统环境centos7.5(本机ip192.168.199.228) 关闭selinux 和防火墙firewall 1.下载 wget http: ...

  3. PE文件结构详解(六)重定位

    前面两篇 PE文件结构详解(四)PE导入表 和 PE文件结构详解(五)延迟导入表 介绍了PE文件中比较常用的两种导入方式,不知道大家有没有注意到,在调用导入函数时系统生成的代码是像下面这样的: 在这里 ...

  4. PE文件结构详解(五)延迟导入表

    PE文件结构详解(四)PE导入表讲 了一般的PE导入表,这次我们来看一下另外一种导入表:延迟导入(Delay Import).看名字就知道,这种导入机制导入其他DLL的时机比较“迟”,为什么要迟呢?因 ...

  5. PE文件结构详解(四)PE导入表

    PE文件结构详解(二)可执行文件头的最后展示了一个数组,PE文件结构详解(三)PE导出表中解释了其中第一项的格式,本篇文章来揭示这个数组中的第二项:IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_IMPO ...

  6. PE文件结构详解(三)PE导出表

    上篇文章 PE文件结构详解(二)可执行文件头 的结尾出现了一个大数组,这个数组中的每一项都是一个特定的结构,通过函数获取数组中的项可以用RtlImageDirectoryEntryToData函数,D ...

  7. PE文件结构详解(二)可执行文件头

    在PE文件结构详解(一)基本概念里,解释了一些PE文件的一些基本概念,从这篇开始,将详细讲解PE文件中的重要结构. 了解一个文件的格式,最应该首先了解的就是这个文件的文件头的含义,因为几乎所有的文件格 ...

  8. Java类文件结构详解

    概述: Class文件结构是了解虚拟机的重要基础之一,如果想深入的了解虚拟机,Class文件结构是不能不了解的.Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流,各项数据项目严格按照顺序紧凑地排列在 ...

  9. Java Class 字节码文件结构详解

    Class字节码中有两种数据类型: 字节数据直接量:这是基本的数据类型.共细分为u1.u2.u4.u8四种,分别代表连续的1个字节.2个字节.4个字节.8个字节组成的整体数据. 表:表是由多个基本数据 ...

随机推荐

  1. javascript之页面打印

    WebBrowser组件是IE内置的浏览器控件,使用时,首先要在<body>标签的下面用<object>...</object>标记声明WebBrowser组件,代 ...

  2. ORA-28001: the password has expired 详解 不用重启项目

    大早上正式库提示: Oracle提示错误消息ORA-28001: the password has expired 解决办法: 1.利用SYSDBA权限登陆: 2.查看账户信息:select user ...

  3. Objc中为何某些类的属性要设置为copy而不是strong?

    大熊猫猪·侯佩原创或翻译作品.欢迎转载,转载请注明出处. 如果觉得写的不好请多提意见,如果觉得不错请多多支持点赞.谢谢! hopy ;) 不知道大家是否注意,我们再使用一些第三方类的时候大多数情况下对 ...

  4. 1.QT中的容器QVector,QList,QSet,QMap,QQueue,QStack,QMultiMap,QSingleList等

    1  新建一个项目 在pro文件中只需要加上CONFIG += C++11 main.cpp #include <QMap> int main() { QMap<int,QStrin ...

  5. Android 推送和统计最优轮循(心跳策略)探究实践

    http://blog.csdn.net/sk719887916/article/details/51398416 skay亲笔 Android开发中经常会用到周期性执行一个动作的需求,大的场景有推送 ...

  6. Java --Annotation学习心得体会及笔记

    相对于注释这种给程序员看的信息: 注解,就是给程序看的解释性的语言,其作用就相当于配置文件的存在.其存在的意义在于以下几点: 优点: 方便的使程序员看到相关项的关联位置及关联方式等信息. 缺点: 由于 ...

  7. ledisdb:支持类redis接口的嵌入式nosql

    ledisdb现在可以支持嵌入式使用.你可以将其作为一个独立的lib(类似leveldb)直接嵌入到你自己的应用中去,而无需在启动单独的服务. ledisdb提供的API仍然类似redis接口.首先, ...

  8. (NO.00004)iOS实现打砖块游戏(二):实现游戏主界面动画

    大熊猫猪·侯佩原创或翻译作品.欢迎转载,转载请注明出处. 如果觉得写的不好请告诉我,如果觉得不错请多多支持点赞.谢谢! hopy ;) 一个内容不错的游戏也要一个好的包装.玩家进入游戏时第一眼看到的是 ...

  9. 【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures

    本系列主要参考<Unity Shaders and Effects Cookbook>一书(感谢原书作者),同时会加上一点个人理解或拓展. 这里是本书所有的插图.这里是本书所需的代码和资源 ...

  10. JAVA之旅(十)——异常的概述,Try-Catch,异常声明Throws,多异常处理,自定义异常,Throw和Throws的区别

    JAVA之旅(十)--异常的概述,Try-Catch,异常声明Throws,多异常处理,自定义异常,Throw和Throws的区别 不知不觉,JAVA之旅这个系列已经更新到第十篇了,感觉如梦如幻,时间 ...