PNG是20世纪90年代中期开始开发的图像文件存储格式,其目的是企图替代GIF和TIFF文件格式,同时增加一些GIF文件格式所不具备的特性。流式网络图形格式(Portable Network Graphic Format,PNG)名称来源于非官方的“PNG's Not GIF”,是一种位图文件(bitmap file)存储格式,读成“ping”。PNG用来存储灰度图像时,灰度图像的深度可多到16位,存储彩色图像时,彩色图像的深度可多到48位,并且还可存储多到16位的α通道数据。PNG使用从LZ77派生的无损数据压缩算法。

一、数据结构

1. PNG数据块

PNG定义了两种类型的数据块,一种是称为关键数据块,这是标准的数据块,另一种叫做辅助数据块,这是可选的数据块。关键数据块定义了5个标准数据块,每个PNG文件都必须包含它们,PNG读写软件也必须要支持这些数据块。至于可选数据块,规范只是提倡予以支持。

下表就是PNG中数据块的类别,其中 * 号表示关键数据块:

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数据块符号 数据块名称    多数据块  可选否  位置限制  
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PNG头 *   PNG文件标识          否   第一块    
IHDR *  文件头数据块    否    否   第二块  
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  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 *   图像结束数据块   否    否   最后一块  
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除了关键数据块,其它的数据块都是可有可无的。

2.数据块结构

PNG文件中,除了PNG文件标识外,所有的数据块均由4个部分组成,如下表:

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顺号 名称      字节数  说明  
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1 长度     4     指定第3部分数据域的长度  
2 数据块符号  4     由数据块符号的 Ascii 码组成  
3 数据域     不定     存储按照 Chunk Type Code 指定的数据  
4 CRC校验     4    又称循环冗余检测,用来检测是否有错误
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循环冗余检测中的值是对第2部分数据块符号和第3部分数据域进行计算得到的,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

3. 5个关键数据块的具体结构。

①PNG文件标识

它固定为8个字节:89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A,前4个字节为“.PNG”的 Ascii 码。

②文件头数据块

它包含有 PNG 文件中存储的图像数据的基本信息,并要作为第二个数据块出现在 PNG 数据流中,一个 PNG 数据流中只能有一个文件头数据块。格式如下表所示。
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域名称   字节数  说明  
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数据域长度  4    指定数据域的长度,固定为00 00 00 0D
数据块符号  4    49 48 44 52,是“IHDR”的 Ascii 码
 (以下13个字节是数据域)
图像宽度   4   单位:像素
图像高度   4   单位:像素
颜色深度   1     灰度图像:1、2、4、8 或 16 
            真彩色图像:8 或 16
          索引彩色图像:1、2、4 或 8 
          带α通道数据的灰度图像:8 或 16
          带α通道数据的真彩图像:8 或 16
颜色类型   1   灰度图像:0
            真彩色图像:2
            索引彩色图像:3
            带α通道数据的灰度图像:4
            带α通道数据的真彩色图像:6
压缩方法   1    规定此字节为0(使用LZ77派生算法压缩)
滤波器方法   1   通常此字节为0
隔行扫描方法 1   非隔行扫描:0 
            Adam7(7遍隔行扫描方法):1
CRC校验     4
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③调色板数据块

包含有与索引彩色图像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之前。它定义图像的调色板信息,其数据结构如下:
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域名称     字节数  说明  
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数据域长度  4     指定数据域的长度
数据块符号  4     50 4C 54 45,是“PLTE”的 Ascii 码
数据域     不定     n个调色板,就有3×n个字节长度,最多 3×256 字节  
CRC校验     4
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每一个调色板由表示红、绿、蓝信息的3个字节组成,因此,调色板的长度应该是3的倍数,否则就是非法的调色板。
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文件头数据块中“颜色深度”规定的颜色数(例如图像色深为4时,调色板中的颜色数不可超过2^4=16),否则将导致 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,也可以不要调色板。

④图像数据块

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。其数据结构如下:
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域名称     字节数  说明  
--------------------------------------------------------
数据域长度  4     指定数据域的长度  
数据块符号  4     49 44 41 54,是“IDAT”的 Ascii 码
数据域     不定    存放着图像真正的数据信息(压缩的)   
CRC校验     4
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由于图像数据块是压缩数据,如果你能够掌握压缩和解压缩的方法,那么你就能轻易而举地将其它类型的图片转换成PNG图片,或者将PNG图片转换成其它类型的图片。

⑤图像结束块
它用来标记PNG文件或者数据流已经结束,必须要放在文件的尾部。其数据结构如下:
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域名称     字节数  说明  
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数据域长度  4     全为0:00 00 00 00
数据块符号  4     49 45 4E 44,是“IEND”的 Ascii 码
数据域     
CRC校验     4    AE 42 60 82
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二、一个具体的例子

用系统画图新建一个8×8像素的图像,填充红色,另存为PNG图片,该图片全部数据如下(注:因设备差异,你的数据也许会有微小不同):

000000: 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A 00 00 00 0D 49 48 44 52
000010: 00 00 00 08 00 00 00 08 08 02 00 00 00 4B 6D 29
000020: DC 00 00 00 01 73 52 47 42 00 AE CE 1C E9 00 00
000030: 00 04 67 41 4D 41 00 00 B1 8F 0B FC 61 05 00 00
000040: 00 20 63 48 52 4D 00 00 7A 26 00 00 80 84 00 00
000050: FA 00 00 00 80 E8 00 00 75 30 00 00 EA 60 00 00
000060: 3A 98 00 00 17 70 9C BA 51 3C 00 00 00 17 49 44
000070: 41 54 18 57 63 FC CF 80 03 00 25 B0 22 EC A2 20
000080: 63 06 52 07 00 11 99 38 C9 DB F8 06 FD 00 00 00
000090: 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

分析:

000000-000007:这8个字节为 PNG 文件标识。

000008-000020:文件头数据块,其中:
    00 00 00 0D:数据域长度为13字节
    49 48 44 52:文件头数据块符号“IHDR” 
    00 00 00 08:图像宽8像素 
    00 00 00 08:图像高8像素 
    08:24位颜色深度
    02:颜色类型为真彩 
    00:使用压缩 
    00:滤波器方法,通常为0 
    00:非隔行扫描
    4B 6D 29 DC:CRC校验码 

000021-00002D:可选数据块 sRGB

00002E-00003D:可选数据块 gAMA(图像γ数据块)

00003E-000069:可选数据块 cHRM(基色和白色点数据块)

00006A-00008C:IDAT数据块,其中:
    00 00 00 17:数据域长度为23字节 
    49 44 41 54:IDAT数据块标识“IDAT”
    18 57 63… :压缩的数据 
    DB F8 06 FD:CRC校验码

00008D-000098:IEND数据块,如上所说,固定为 00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

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的,因此,我们可以用Hex编辑器来对这些数据做增删试验(Hex编辑器下载地址:http://bbs.pfan.cn/post-249666.html)

1.为图片减肥:

利用Hex编辑器的删除功能,删除000020-000069这3个辅助数据块,文件字节数由原来的153字节缩减到80字节,而并不影响图像的内容!试试看,你成功了吗?
但要注意的是,PNG 格式可以保存图像中的层、文字等信息,一旦删除了这些数据后,图像将失去原来的可编辑性。

2. 添加文本信息:

增加这么一个字符串“PNG图片”,字符串的Ascii码是50 4E 47 CD BC C6 AC,共7个字节,所以数据域长度应为00 00 00 07,数据块符号是“tEXt”,Ascii是74 45 58 74,至于CRC校验码,我们随便写4个字节,就写 BA 2D 29 CC 吧!这些信息全合起来就是:
00 00 00 07 74 45 58 74 50 4E 47 CD BC C6 AC BA 2D 29 CC
共19字节。由于tEXt数据块可以出现在任意数据块之间,我们就利用Hex编辑器的插入功能把这19个字节从000068插入吧,然后另存为,再用附件中的代码打开它,我们就不禁可以看到图像,还可以看到这7个字符文本了!