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图片知识梳理(一): PNG文件结构

anywill~2018-08-23 /图像编程

0x01 文件结构

PNG图像格式文件由一个8字节的PNG文件标识(file signature)域和3个以上的后续数据块(IHDR、IDAT、IEND)组成。
PNG文件包括8字节文件署名(89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A,十六进制),用来识别PNG格式。

十六进制 含义
89 用于检测传输系统是否支持8位的字符编码(8 bit data),用以减少将文本文件被错误的识别成PNG文件的机会,反之亦然。
50 4E 47 PNG每个字母对应的ASCII,让用户可以使用文本编辑器查看时,识别出是PNG文件。
0D 0A DOS风格的换行符(CRLF)。用于DOS-Unix数据的换行符转换。
1A 在DOS命令行下,用于阻止文件显示的文件结束符。
0A Unix风格的换行符(LF)。用于Unix-DOS换行符的转换。

ascii对照表

用Hex-Editor打开任意一个png文件,都是可以看到这样的头部:

PNG定义了两种类型的数据块:一种是PNG文件必须包含、读写软件也都必须要支持的关键块(critical chunk);另一种叫做辅助块(ancillary chunks),PNG允许软件忽略它不认识的附加块。这种基于数据块的设计,允许PNG格式在扩展时仍能保持与旧版本兼容。

关键数据块中有4个标准数据块:

0x02 数据块(chunk)

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 在PLTE和IDAT之前
gAMA 图像γ数据块 在PLTE和IDAT之前
sBIT 样本有效位数据块 在PLTE和IDAT之前
PLTE 调色板数据块 在IDAT之前
bKGD 背景颜色数据块 在PLTE之后IDAT之前
hIST 图像直方图数据块 在PLTE之后IDAT之前
tRNS 图像透明数据块 在PLTE之后IDAT之前
oFFs (专用公共数据块) 在IDAT之前
pHYs 物理像素尺寸数据块 在IDAT之前
sCAL (专用公共数据块) 在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

数据块结构

PNG文件中,每个数据块(比如IHDR,cHRM,IDAT等)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.

注意:Length值的是除:length本身,Chunk Type Code,CRC外的长度,也就是Chunk Data的长度。

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(文件)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)

 用这个png来说明一下:

高度:00 00 00 3A  换成10进制,58

宽度:00 00 00 20 换成10进制,32

Bit depth :08

ColorType :06 ,6:带α通道数据的真彩色图像,8或16

Compression method :00

Filter method :00

Interlace method :01,Adam7(由Adam M. Costello开发的7遍隔行扫描方法) 

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


不难理解,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。

0x03 PNG8/PNG24/PNG32 之间的区别

PNG-32

PNG-32每个像素的深度为32bits,其中RGBA四个通道各占8bits。所谓的RGBA四个通道,就是红,绿,蓝,透明 这四种色值各自的大小,都用8bits来表示(0~255)。

PNG-24

同理,PNG-24的像素深度为24bits,其中RGB三个通道各占8bits。PNG-24因为没有Alpha通道(透明通道),所以不支持透明图片。

PNG-8

上述两种像素格式都非常好理解,但是似乎按照那种方式来存储图片并不会让图片变小。PNG-8则作出了一些变动,他将图片中用到的每种颜色都存储在一个长度为255的数组中,称之为条色盘,然后每个像素上存储对应颜色在条色盘上的位置。因为颜色上限是255种,所以每个像素只需要8bits就可以表示对应的颜色信息。这种表示颜色的方式也被称之为索引色。
PNG-8相比之下确实使用了更少的空间来存储颜色,但是他能表达的颜色种类是有上限的,所以在将PNG-32转换成PNG-8时会在一些颜色过渡的地方会明显的看到不平滑的渐变。


引入:

1.PNG《维基百科》

2.png图片结构分析与加密解密原理

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