PNG文件結(jié)構(gòu)分析

PNG文件結(jié)構(gòu)分析(上：了解PNG文件存放格式)序言我們都知道，在進行J2ME手機應(yīng)用程序開發(fā)時候，在圖片使用上，我們能夠使用PNG格式圖片（甚至于在有手機上，我們只能夠使用PNG格式圖片），盡管使用圖片能夠為我們應(yīng)用程序增加不少亮點，然而，只支持PNG格式圖片卻又限制了我們深入發(fā)揮可能性（其實，應(yīng)該說是因為手機平臺上處理能力有限）。在MIDP2中，或者一些廠商（如NOKIA）提供API中，提供了drawPixels/getPixels方法，這些方法深入提升了開發(fā)者處理圖片靈活性，然而，在MIDP2還未完全普及今天，我們需要在MIDP1.0中實現(xiàn)這類方法還屬于異想天開，所以，為了實現(xiàn)更高級應(yīng)用，我們必須充分挖掘PNG潛力。PNG文件結(jié)構(gòu)對于一個PNG文件來說，其文件頭總是由位固定字節(jié)來描述：十進制數(shù)13780787113102610十六進制數(shù)89504E470D0A1A0A其中第一個字節(jié)0x89超出了ASCII字符范圍，這是為了防止一些軟件將PNG文件當做文本文件來處理。文件中剩下部分由3個以上PNG數(shù)據(jù)塊（Chunk）按照特定次序組成，所以，一個標準PNG文件結(jié)構(gòu)應(yīng)該以下：PNG文件標志PNG數(shù)據(jù)塊……PNG數(shù)據(jù)塊PNG數(shù)據(jù)塊（Chunk）PNG定義了兩種類型數(shù)據(jù)塊，一個是稱為關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊(criticalchunk)，這是標準數(shù)據(jù)塊，另一個叫做輔助數(shù)據(jù)塊(ancillarychunks)，這是可選數(shù)據(jù)塊。關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊定義了4個標準數(shù)據(jù)塊，每個PNG文件都必須包含它們，PNG讀寫軟件也都必須要支持這些數(shù)據(jù)塊。即使PNG文件規(guī)范沒有要求PNG編譯碼器對可選數(shù)據(jù)塊進行編碼和譯碼，但規(guī)范提倡支持可選數(shù)據(jù)塊。下表就是PNG中數(shù)據(jù)塊類別，其中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊部分我們使用深色背景加以區(qū)分。PNG文件格式中數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊符號數(shù)據(jù)塊名稱多數(shù)據(jù)塊可選否位置限制IHDR文件頭數(shù)據(jù)塊否否第一塊cHRM基色和白色點數(shù)據(jù)塊否是在PLTE和IDAT之前gAMA圖像γ數(shù)據(jù)塊否是在PLTE和IDAT之前sBIT樣本有效位數(shù)據(jù)塊否是在PLTE和IDAT之前PLTE調(diào)色板數(shù)據(jù)塊否是在IDAT之前bKGD背景顏色數(shù)據(jù)塊否是在PLTE之后IDAT之前hIST圖像直方圖數(shù)據(jù)塊否是在PLTE之后IDAT之前tRNS圖像透明數(shù)據(jù)塊否是在PLTE之后IDAT之前oFFs(專用公共數(shù)據(jù)塊)否是在IDAT之前pHYs物理像素尺寸數(shù)據(jù)塊否是在IDAT之前sCAL(專用公共數(shù)據(jù)塊)否是在IDAT之前IDAT圖像數(shù)據(jù)塊是否與其余IDAT連續(xù)tIME圖像最終修改時間數(shù)據(jù)塊否是無限制tEXt文本信息數(shù)據(jù)塊是是無限制zTXt壓縮文本數(shù)據(jù)塊是是無限制fRAc(專用公共數(shù)據(jù)塊)是是無限制gIFg(專用公共數(shù)據(jù)塊)是是無限制gIFt(專用公共數(shù)據(jù)塊)是是無限制gIFx(專用公共數(shù)據(jù)塊)是是無限制IEND圖像結(jié)束數(shù)據(jù)否否最終一個數(shù)據(jù)塊為了簡單起見，我們假設(shè)在我們使用PNG文件中，這4個數(shù)據(jù)塊按以上先后次序進行存放，而且都只出現(xiàn)一次。數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)PNG文件中，每個數(shù)據(jù)塊由4個部分組成，以下：名稱字節(jié)數(shù)說明Length(長度)4字節(jié)指定數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)域長度，其長度不超出(231－1)字節(jié)ChunkTypeCode(數(shù)據(jù)塊類型碼)4字節(jié)數(shù)據(jù)塊類型碼由ASCII字母(A-Z和a-z)組成ChunkData(數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù))可變長度存放按照ChunkTypeCode指定數(shù)據(jù)CRC(循環(huán)冗余檢測)4字節(jié)存放用來檢測是否有錯誤循環(huán)冗余碼CRC(cyclicredundancycheck)域中值是對ChunkTypeCode域和ChunkData域中數(shù)據(jù)進行計算得到。CRC詳細算法定義在ISO3309和ITU-TV.42中，其值按下面CRC碼生成多項式進行計算：x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1下面，我們依次來了解一下各個關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)吧。IHDR文件頭數(shù)據(jù)塊IHDR(headerchunk)：它包含有PNG文件中存放圖像數(shù)據(jù)基本信息，并要作為第一個數(shù)據(jù)塊出現(xiàn)在PNG數(shù)據(jù)流中，而且一個PNG數(shù)據(jù)流中只能有一個文件頭數(shù)據(jù)塊。文件頭數(shù)據(jù)塊由13字節(jié)組成，它格式以下表所表示。域名稱字節(jié)數(shù)說明Width4bytes圖像寬度，以像素為單位Height4bytes圖像高度，以像素為單位Bitdepth1byte圖像深度：

索引彩色圖像：1，2，4或8

灰度圖像：1，2，4，8或16

真彩色圖像：8或16ColorType1byte顏色類型：

0：灰度圖像,1，2，4，8或16

2：真彩色圖像，8或16

3：索引彩色圖像，1，2，4或8

4：帶α通道數(shù)據(jù)灰度圖像，8或16

6：帶α通道數(shù)據(jù)真彩色圖像，8或16Compressionmethod1byte壓縮方法(LZ77派生算法)Filtermethod1byte濾波器方法Interlacemethod1byte隔行掃描方法：

0：非隔行掃描

1：Adam7(由AdamM.Costello開發(fā)7遍隔行掃描方法)因為我們研究是手機上PNG，所以，首先我們看看MIDP1.0對所使用PNG圖片要求吧：在MIDP1.0中，我們只能夠使用1.0版本PNG圖片。而且，所以PNG關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊都有尤其要求：

IHDR文件大?。篗IDP支持任意大小PNG圖片，然而，實際上，假如一個圖片過大，會因為內(nèi)存耗盡而無法讀取。顏色類型：全部顏色類型都有被支持，即使這些顏色顯示依賴于實際設(shè)備顯示能力。同時，MIDP也能支持alpha通道，不過，全部alpha通道信息都會被忽略而且看成不透明顏色對待。色深：全部色深都能被支持。壓縮方法：僅支持壓縮方式0（deflate壓縮方式），這和jar文件壓縮方式完全相同，所以，PNG圖片數(shù)據(jù)解壓和jar文件解壓能夠使用相同代碼。（其實這也就是為何J2ME能很好支持PNG圖像原因：））濾波器方法：盡管在PNG白皮書中僅定義了方法0，然而全部5種方法都被支持！隔行掃描：即使MIDP支持0、1兩種方式，然而，當使用隔行掃描時，MIDP卻不會真正使用隔行掃描方式來顯示。PLTEchunk：支持IDATchunk：圖像信息必須使用5種過濾方式中方式0(None,Sub,Up,Average,Paeth)IENDchunk：當IEND數(shù)據(jù)塊被找到時，這個PNG圖像才認為是正當PNG圖像?？蛇x數(shù)據(jù)塊：MIDP能夠支持以下輔助數(shù)據(jù)塊，然而，這卻不是必須。bKGDcHRMgAMAhISTiCCPiTXtpHYs

sBITsPLTsRGBtEXttIMEtRNSzTXt關(guān)于更多信息，能夠參考PLTE調(diào)色板數(shù)據(jù)塊PLTE(palettechunk)包含有與索引彩色圖像(indexed-colorimage)相關(guān)彩色變換數(shù)據(jù)，它僅與索引彩色圖像關(guān)于，而且要放在圖像數(shù)據(jù)塊(imagedatachunk)之前。PLTE數(shù)據(jù)塊是定義圖像調(diào)色板信息，PLTE能夠包含1~256個調(diào)色板信息，每一個調(diào)色板信息由3個字節(jié)組成：顏色字節(jié)意義Red1byte0=黑色,255=紅Green1byte0=黑色,255=綠色Blue1byte0=黑色,255=藍色所以，調(diào)色板長度應(yīng)該是3倍數(shù)，不然，這將是一個非法調(diào)色板。對于索引圖像，調(diào)色板信息是必須，調(diào)色板顏色索引從0開始編號，然后是1、2……，調(diào)色板顏色數(shù)不能超出眾深中要求顏色數(shù)（如圖像色深為4時候，調(diào)色板中顏色數(shù)不能夠超出2^4=16），不然，這將造成PNG圖像不正當。真彩色圖像和帶α通道數(shù)據(jù)真彩色圖像也能夠有調(diào)色板數(shù)據(jù)塊，目標是便于非真彩色顯示程序用它來量化圖像數(shù)據(jù)，從而顯示該圖像。IDAT圖像數(shù)據(jù)塊IDAT(imagedatachunk)：它存放實際數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)流中可包含多個連續(xù)次序圖像數(shù)據(jù)塊。IDAT存放著圖像真正數(shù)據(jù)信息，所以，假如能夠了解IDAT結(jié)構(gòu)，我們就能夠很方便生成PNG圖像。IEND圖像結(jié)束數(shù)據(jù)IEND(imagetrailerchunk)：它用來標識PNG文件或者數(shù)據(jù)流已經(jīng)結(jié)束，而且必須要放在文件尾部。假如我們仔細觀察PNG文件，我們會發(fā)覺，文件結(jié)尾12個字符看起來總應(yīng)該是這么：0000000049454E44AE426082不難明白，因為數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)定義，IEND數(shù)據(jù)塊長度總是0（00000000，除非人為加入信息），數(shù)據(jù)標識總是IEND（49454E44），所以，CRC碼也總是AE426082。實例研究PNG以下是由Fireworks生成一幅圖像，圖像大小為8*8，為了方便大家觀看，我們將圖像放大：

使用UltraEdit32打開該文件，以下：

00000000~00000007：能夠看到，選中頭8個字節(jié)即為PNG文件標識。接下來地方就是IHDR數(shù)據(jù)塊了：00000008~00000020：0000000D說明IHDR頭塊長為1349484452IHDR標識00000008圖像寬，8像素00000008圖像高，8像素04色深，2^4=16，即這是一個16色圖像（也有可能顏色數(shù)不超出16，當然，假如顏色數(shù)不超出8，用03表示更適宜）03顏色類型，索引圖像00PNGSpec要求此處總為0（非0值為未來使用愈加好壓縮方法預(yù)留），表示使壓縮方法(LZ77派生算法)00同上00非隔行掃描3621A3B8CRC校驗00000021~0000002F：可選數(shù)據(jù)塊sBIT，顏色采樣率，RGB都是256（2^8=256）00000030~00000062：這里是調(diào)色板信息00000027說明調(diào)色板數(shù)據(jù)長為39字節(jié)，既13個顏色數(shù)504C5445PLTE標識FFFF00顏色0FFED00顏色1…………0900B2最終一個顏色，125FF5BBDDCRC校驗00000063~000000C5：這部分包含了pHYs、tExt兩種類型數(shù)據(jù)塊共3塊，因為并不太主要，所以也不再詳細描述了。

000000C0~000000F8：以上選中部分是IDAT數(shù)據(jù)塊00000027數(shù)據(jù)長為39字節(jié)49444154IDAT標識789C……壓縮數(shù)據(jù)，LZ77派生壓縮方法DA1206A5CRC校驗IDAT中壓縮數(shù)據(jù)部分在后面會有詳細介紹。000000F9~00000104：IEND數(shù)據(jù)塊，這部分正如上所說，通常都應(yīng)該是0000000049454E44AE426082至此，我們已經(jīng)能夠從一個PNG文件中識別出各個數(shù)據(jù)塊了。因為PNG中要求除關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊外，其它輔助數(shù)據(jù)塊都為可選部分，所以，有了這個標準后，我們能夠經(jīng)過刪除全部輔助數(shù)據(jù)塊來降低PNG文件大小。（當然，需要注意是，PNG格式能夠保留圖像中層、文字等信息，一旦刪除了這些輔助數(shù)據(jù)塊后，圖像將失去原來可編輯性。）刪除了輔助數(shù)據(jù)塊后PNG文件，現(xiàn)在文件大小為147字節(jié)，原文件大小為261字節(jié)，文件大小降低后，并不影響圖像內(nèi)容。其實，我們能夠經(jīng)過改變調(diào)色板色值來完成一些又趣事情，比如說實現(xiàn)云彩/水波流動效果，實現(xiàn)圖像淡入淡出效果等等，在此，給出一個鏈接給大家看可能更直接：，我寫此文也就是受此文啟發(fā)。如上說過，IDAT數(shù)據(jù)塊是使用了LZ77壓縮算法生成，因為受限于手機處理器能力，所以，假如我們在生成IDAT數(shù)據(jù)塊時依然使用LZ77壓縮算法，將會使效率大打折扣，所以，為了效率，只能使用無壓縮LZ77算法，關(guān)于LZ77算法詳細實現(xiàn)，此文不打算深究，如果你對LZ77算法JAVA實現(xiàn)有興趣，能夠參考以下兩個站點：參考資料：PNG文件格式白皮書：

為數(shù)不多漢字PNG格式說明：

RFC-1950(ZLIBCompressedDataFormatSpecification)：/rfc/rfc1950.txt

RFC-1950(DEFLATECompressedDataFormatSpecification)：/rfc/rfc1951.txt

LZ77算法JAVA實現(xiàn)：

LZ77算法JAVA實現(xiàn)，包含J2ME版本：PNG文件結(jié)構(gòu)分析(下：在手機上生成PNG文件)上面我們已經(jīng)對PNG存放格式有了了解，所以，生成PNG圖片只需要按照以上數(shù)據(jù)塊寫入文件即可。(因為IHDR、PLTE結(jié)構(gòu)都非常簡單，所以，這里我們只是重點講一講IDAT生成方法，IHDR和PLTE數(shù)據(jù)內(nèi)容都沿用以上數(shù)據(jù)內(nèi)容)問題確實是這么，我們知道，對于大多數(shù)圖形文件來說，我們都能夠?qū)嶋H圖像內(nèi)容映射為一個二維顏色數(shù)組，對于上面PNG文件，因為它用是16色調(diào)色板（實際是13色），所以，對于圖片映射能夠以下：

(調(diào)色板對照圖)1211109876511109876541098765439876543287654321765432106543210054321000PNGSpec中指出，假如PNG文件不是采取隔行掃描方法存放話，那么，數(shù)據(jù)是按照行(ScanLine)來存放，為了區(qū)分第一行，PNG要求在每一行前面加上0以示區(qū)分，所以，上面圖像映射應(yīng)該以下：012111098765011109876540109876543098765432087654321076543210065432100054321000另外，需要注意是，因為PNG在存放圖像時為了節(jié)約空間，所以每一行是按照位(Bit)來存放，而并不是我們想象字節(jié)（Byte），假如你沒有忘記話，我們IHDR數(shù)據(jù)塊中色深就指明了這一點，所以，為了湊成PNG所需要IDAT，我們數(shù)據(jù)得改成以下：0203169135101