PNG文件結構分析(上:瞭解PNG文件存儲格式)
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前言
我們都知道,在進行J2ME的手機應用程序開發的時候,在圖片的使用上,我們可以使用PNG格式的圖片(甚至於在有的手機上,我們只可以使用PNG格式的圖片),儘管使用圖片可以爲我們的應用程序增加不少亮點,然而,只支持PNG格式的圖片卻又限制了我們進一步發揮的可能性(其實,應該說是由於手機平臺上的處理能力有限)。 在MIDP2中,或者某些廠商(如NOKIA)提供的API中,提供了drawPixels/getPixels的方法,這些方法進一步提高了開發者處理圖片的靈活性,然而,在MIDP2還未完全普及的今天,我們需要在MIDP1 .0中實現這類方法還屬於異想天開,因此,爲了實現更高級的應用,我們必須充分挖掘PNG的潛力。
PNG的文件結構
對於一個PNG文件來說,其文件頭總是由位固定的字節來描述的:
十進制數 | 137 80 78 71 13 10 26 10 |
十六進制數 | 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A |
其中第一個字節0x89超出了ASCII字符的範圍,這是爲了避免某些軟件將PNG文件當做文本文件來處理。文件中剩餘的部分由3個以上的PNG的數據塊(Chunk)按照特定的順序組成,因此,一個標準的PNG文件結構應該如下:
PNG文件標誌 | PNG數據塊 | …… | PNG數據塊 |
PNG數據塊(Chunk)
PNG定義了兩種類型的數據塊,一種是稱爲關鍵數據塊(critical chunk),這是標準的數據塊,另一種叫做輔助數據塊(ancillary chunks),這是可選的數據塊。關鍵數據塊定義了4個標準數據塊,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據塊。雖然PNG文件規範沒有要求PNG編譯碼器對可選數據塊進行編碼和譯碼,但規範提倡支持可選數據塊。
下表就是PNG中數據塊的類別,其中,關鍵數據塊部分我們使用深色背景加以區分。
PNG文件格式中的數據塊
|
||||
數據塊符號
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數據塊名稱
|
多數據塊
|
可選否
|
位置限制
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IHDR | 文件頭數據塊 | 否 | 否 | 第一塊 |
cHRM | 基色和白色點數據塊 | 否 | 是 | 在PLTE和IDAT之前 |
gAMA | 圖像γ數據塊 | 否 | 是 | 在PLTE和IDAT之前 |
sBIT | 樣本有效位數據塊 | 否 | 是 | 在PLTE和IDAT之前 |
PLTE | 調色板數據塊 | 否 | 是 | 在IDAT之前 |
bKGD | 背景顏色數據塊 | 否 | 是 | 在PLTE之後IDAT之前 |
hIST | 圖像直方圖數據塊 | 否 | 是 | 在PLTE之後IDAT之前 |
tRNS | 圖像透明數據塊 | 否 | 是 | 在PLTE之後IDAT之前 |
oFFs | (專用公共數據塊) | 否 | 是 | 在IDAT之前 |
pHYs | 物理像素尺寸數據塊 | 否 | 是 | 在IDAT之前 |
sCAL | (專用公共數據塊) | 否 | 是 | 在IDAT之前 |
IDAT | 圖像數據塊 | 是 | 否 | 與其他IDAT連續 |
tIME | 圖像最後修改時間數據塊 | 否 | 是 | 無限制 |
tEXt | 文本信息數據塊 | 是 | 是 | 無限制 |
zTXt | 壓縮文本數據塊 | 是 | 是 | 無限制 |
fRAc | (專用公共數據塊) | 是 | 是 | 無限制 |
gIFg | (專用公共數據塊) | 是 | 是 | 無限制 |
gIFt | (專用公共數據塊) | 是 | 是 | 無限制 |
gIFx | (專用公共數據塊) | 是 | 是 | 無限制 |
IEND | 圖像結束數據 | 否 | 否 | 最後一個數據塊 |
爲了簡單起見,我們假設在我們使用的PNG文件中,這4個數據塊按以上先後順序進行存儲,並且都只出現一次。
數據塊結構
PNG文件中,每個數據塊由4個部分組成,如下:
名稱 | 字節數 | 說明 |
Length (長度) | 4字節 | 指定數據塊中數據域的長度,其長度不超過(231-1)字節 |
Chunk Type Code (數據塊類型碼) | 4字節 | 數據塊類型碼由ASCII字母(A-Z和a-z)組成 |
Chunk Data (數據塊數據) | 可變長度 | 存儲按照Chunk Type Code指定的數據 |
CRC (循環冗餘檢測) | 4字節 | 存儲用來檢測是否有錯誤的循環冗餘碼 |
CRC(cyclic redundancy check)域中的值是對Chunk Type Code域和Chunk Data域中的數據進行計算得到的。CRC具體算法定義在ISO 3309和ITU-T V.42中,其值按下面的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鍵數據塊的結構吧。
IHDR
文件頭數據塊IHDR(header chunk):它包含有PNG文件中存儲的圖像數據的基本信息,並要作爲第一個數據塊出現在PNG數據流中,而且一個PNG數據流中只能有一個文件頭數據塊。
文件頭數據塊由13字節組成,它的格式如下表所示。
域的名稱
|
字節數
|
說明
|
Width | 4 bytes | 圖像寬度,以像素爲單位 |
Height | 4 bytes | 圖像高度,以像素爲單位 |
Bit depth | 1 byte | 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16 |
ColorType | 1 byte | 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通道數據的灰度圖像,8或16 6:帶α通道數據的真彩色圖像,8或16 |
Compression method | 1 byte | 壓縮方法(LZ77派生算法) |
Filter method | 1 byte | 濾波器方法 |
Interlace method | 1 byte | 隔行掃描方法: 0:非隔行掃描 1: Adam7(由Adam M. Costello開發的7遍隔行掃描方法) |
由於我們研究的是手機上的PNG,因此,首先我們看看MIDP1.0對所使用PNG圖片的要求吧:
- 在MIDP1.0中,我們只可以使用1.0版本的PNG圖片。並且,所以的PNG關鍵數據塊都有特別要求:
IHDR - 文件大小:MIDP支持任意大小的PNG圖片,然而,實際上,如果一個圖片過大,會由於內存耗盡而無法讀取。
- 顏色類型:所有顏色類型都有被支持,雖然這些顏色的顯示依賴於實際設備的顯示能力。同時,MIDP也能支持alpha通道,但是,所有的alpha通道信息都會被忽略並且當作不透明的顏色對待。
- 色深:所有的色深都能被支持。
- 壓縮方法:僅支持壓縮方式0(deflate壓縮方式),這和jar文件的壓縮方式完全相同,所以,PNG圖片數據的解壓和jar文件的解壓可以使用相同的代碼。(其實這也就是爲什麼J2ME能很好的支持PNG圖像的原因:))
- 濾波器方法:儘管在PNG的白皮書中僅定義了方法0,然而所有的5種方法都被支持!
- 隔行掃描:雖然MIDP支持0、1兩種方式,然而,當使用隔行掃描時,MIDP卻不會真正的使用隔行掃描方式來顯示。
- PLTE chunk:支持
- IDAT chunk:圖像信息必須使用5種過濾方式中的方式0 (None, Sub, Up, Average, Paeth)
- IEND chunk:當IEND數據塊被找到時,這個PNG圖像才認爲是合法的PNG圖像。
- 可選數據塊:MIDP可以支持下列輔助數據塊,然而,這卻不是必須的。
bKGD cHRM gAMA hIST iCCP iTXt pHYs
sBIT sPLT sRGB tEXt tIME tRNS zTXt
關於更多的信息,可以參考http://www.w3.org/TR/REC-png.html
PLTE
調色板數據塊PLTE(palette chunk)包含有與索引彩色圖像(indexed-color image)相關的彩色變換數據,它僅與索引彩色圖像有關,而且要放在圖像數據塊(image data chunk)之前。
PLTE數據塊是定義圖像的調色板信息,PLTE可以包含1~256個調色板信息,每一個調色板信息由3個字節組成:
顏色 |
字節 |
意義 |
Red |
1 byte |
0 = 黑色, 255 = 紅 |
Green |
1 byte |
0 = 黑色, 255 = 綠色 |
Blue |
1 byte |
0 = 黑色, 255 = 藍色 |
因此,調色板的長度應該是3的倍數,否則,這將是一個非法的調色板。
對於索引圖像,調色板信息是必須的,調色板的顏色索引從0開始編號,然後是1、2……,調色板的顏色數不能超過色深中規定的顏色數(如圖像色深爲4的時候,調色板中的顏色數不可以超過2^4=16),否則,這將導致PNG圖像不合法。
真彩色圖像和帶α通道數據的真彩色圖像也可以有調色板數據塊,目的是便於非真彩色顯示程序用它來量化圖像數據,從而顯示該圖像。
IDAT
圖像數據塊IDAT(image data chunk):它存儲實際的數據,在數據流中可包含多個連續順序的圖像數據塊。
IDAT存放着圖像真正的數據信息,因此,如果能夠了解IDAT的結構,我們就可以很方便的生成PNG圖像。
IEND
圖像結束數據IEND(image trailer chunk):它用來標記PNG文件或者數據流已經結束,並且必須要放在文件的尾部。
如果我們仔細觀察PNG文件,我們會發現,文件的結尾12個字符看起來總應該是這樣的:
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
不難明白,由於數據塊結構的定義,IEND數據塊的長度總是0(00 00 00 00,除非人爲加入信息),數據標識總是IEND(49 45 4E 44),因此,CRC碼也總是AE 42 60 82。
實例研究PNG
以下是由Fireworks生成的一幅圖像,圖像大小爲8*8,爲了方便大家觀看,我們將圖像放大:
使用UltraEdit32打開該文件,如下:
00000000~00000007:
可以看到,選中的頭8個字節即爲PNG文件的標識。
接下來的地方就是IHDR數據塊了:
00000008~00000020:
- 00 00 00 0D 說明IHDR頭塊長爲13
- 49 48 44 52 IHDR標識
- 00 00 00 08 圖像的寬,8像素
- 00 00 00 08 圖像的高,8像素
- 04 色深,2^4=16,即這是一個16色的圖像(也有可能顏色數不超過16,當然,如果顏色數不超過8,用03表示更合適)
- 03 顏色類型,索引圖像
- 00 PNG Spec規定此處總爲0(非0值爲將來使用更好的壓縮方法預留),表示使壓縮方法(LZ77派生算法)
- 00 同上
- 00 非隔行掃描
- 36 21 A3 B8 CRC校驗
00000021~0000002F:
可選數據塊sBIT,顏色採樣率,RGB都是256(2^8=256)
00000030~00000062:
這裏是調色板信息
- 00 00 00 27 說明調色板數據長爲39字節,既13個顏色數
- 50 4C 54 45 PLTE標識
- FF FF 00 顏色0
- FF ED 00 顏色1
- …… ……
- 09 00 B2 最後一個顏色,12
- 5F F5 BB DD CRC校驗
00000063~000000C5:
這部分包含了pHYs、tExt兩種類型的數據塊共3塊,由於並不太重要,因此也不再詳細描述了。
000000C0~000000F8:
以上選中部分是IDAT數據塊
- 00 00 00 27 數據長爲39字節
- 49 44 41 54 IDAT標識
- 78 9C…… 壓縮的數據,LZ77派生壓縮方法
- DA 12 06 A5 CRC校驗
IDAT中壓縮數據部分在後面會有詳細的介紹。
000000F9~00000104:
IEND數據塊,這部分正如上所說,通常都應該是
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
至此,我們已經能夠從一個PNG文件中識別出各個數據塊了。由於PNG中規定除關鍵數據塊外,其它的輔助數據塊都爲可選部分,因此,有了這個標準後,我們可以通過刪除所有的輔助數據塊來減少PNG文件的大小。(當然,需要注意的是,PNG格式可以保存圖像中的層、文字等信息,一旦刪除了這些輔助數據塊後,圖像將失去原來的可編輯性。)
刪除了輔助數據塊後的PNG文件,現在文件大小爲147字節,原文件大小爲261字節,文件大小減少後,並不影響圖像的內容。
其實,我們可以通過改變調色板的色值來完成一些又趣的事情,比如說實現雲彩/水波的流動效果,實現圖像的淡入淡出效果等等,在此,給出一個鏈接給大家看也許更直接:http://blog.csdn.net/flyingghost/archive/2005/01/13/251110.aspx,我寫此文也就是受此文的啓發的。
如上說過,IDAT數據塊是使用了LZ77壓縮算法生成的,由於受限於手機處理器的能力,因此,如果我們在生成IDAT數據塊時仍然使用LZ77壓縮算法,將會使效率大打折扣,因此,爲了效率,只能使用無壓縮的LZ77算法,關於LZ77算法的具體實現,此文不打算深究,如果你對LZ77算法的JAVA實現有興趣,可以參考以下兩個站點:
參考資料:
PNG文件格式白皮書:http://www.w3.org/TR/REC-png.html
爲數不多的中文PNG格式說明:http://dev.gameres.com/Program/Visual/Other/PNGFormat.htm
RFC-1950(ZLIB Compressed Data Format Specification):ftp://ds.internic.net/rfc/rfc1950.txt
RFC-1950(DEFLATE Compressed Data Format Specification):ftp://ds.internic.net/rfc/rfc1951.txt
LZ77算法的JAVA實現:http://jazzlib.sourceforge.net/
LZ77算法的JAVA實現,包括J2ME版本:http://www.jcraft.com/jzlib/index.html