PNG文件解读(2):PNG格式文件结构与数据结构解读—解码PNG数据

admin 2022年11月18日14:08:31安全百科PNG文件解读(2):PNG格式文件结构与数据结构解读—解码PNG数据已关闭评论13 views4573字阅读15分14秒阅读模式

PNG文件识别

之前写过《JPEG/Exif/TIFF格式解读(1):JEPG图片压缩与存储原理分析》,JPEG文件是以,FFD8开头,FFD9结尾,中间存储着以0xFFE0~0xFFEF 为标志的数据段。

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,HEX: 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:

与JPEG格式如下

SOI Marker Marker XX size=SSSS Marker YY size=TTTT SOS Marker size=UUUU Image stream EOI Marker
FFD8 FFXX SSSS DDDD...... FFYY TTTT DDDD...... FFDA UUUU DDDD.... I I I I.... FFD9

何其相似,但却相差甚远。png数据结构个人觉得比jpeg复杂

jpeg:段标识(FF)+段类型(1字节)+段长度(2字节)+数据块

png:段长度(4字节)+段类型/类型标志(4字节)+数据块+校验码(4字节)

png的每一段,称之为数据块。

PNG数据块(Chunk)

PNG定义了两种类型的数据块,

  • 关键数据块(critical chunk),这是标准的数据块
  • 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。

我们目前只需关注标红的关键数据块即可。

数据块中有 4 个关键数据块:

  1. 文件头数据块 IHDR(header chunk):包含有图像基本信息,作为第一个数据块出现并只出现一次。
  2. 调色板数据块 PLTE(palette chunk):必须放在图像数据块之前。
  3. 图像数据块 IDAT(image data chunk):存储实际图像数据。PNG 数据允许包含多个连续的图像数据块。
  4. 图像结束数据 IEND(image trailer chunk):放在文件尾部,表示 PNG 数据流结束。

数据块连起来,大概这个样子:

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)

就是一段段数据按照固定格式填充,头尾必要,中间填充图片的压缩数据。所以解读png的所有数据,就需要解读每个数据块

PNG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
  • Length 值的是除:length 本身,Chunk Type Code,CRC 外的长度,也就是 Chunk Data 的长度。
  • CRC: 一种校验算法。仅仅用来校验数据的正确性的

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。

文件头数据块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162:真彩色图像,8或163:索引彩色图像,1,2,4或84:带α通道数据的灰度图像,8或166:带α通道数据的真彩色图像,8或16
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(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。
  • ColorType/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。
  • Bit depth/色深:所有的色深都能被支持。
  • Comdivssion method/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:))
  • Filter method/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。

关于更多的信息,可以参考http://www.w3.org/TR/REC-png.html

用十六进制查看器打开一个 PNG 文件:

分析如下:

数据块-调色板数据块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:

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。

用十六进制查看器打开一个索引图像 PNG 文件:

分析如下:

预览调色板中的颜色:

pHYs

物理像素数据块,它表示了图片的像素尺寸,或者是高宽比,它的结果如下

unit specifier的定义如下:

  • 0:unit is unknown
  • 1:unit is the metre

数据块-图像数据块 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。

用十六进制查看器打开一个索引图像 PNG 文件:

数据块-图像结束数据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。

IHDR cHRM pHYs IEND

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:

参考文章:
音视频入门-11-PNG文件格式详解 https://www.cnblogs.com/binglingziyu/p/audio-video-basic-11-png-file-format-detail.html
PNG文件结构 https://www.cnblogs.com/Yuuki-/p/7868858.html
http://read.newbooks.com.cn/info/173555.html

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