李錦俊(mybios)的blog

PNG是20世紀(jì)90年代中期開始開發(fā)的圖像文件存儲(chǔ)格式，其目的是企圖替代GIF和TIFF文件格式，同時(shí)增加一些GIF文件格式所不具備的特性。流式網(wǎng)絡(luò)圖形格式(Portable Network Graphic Format，PNG)名稱來(lái)源于非官方的“PNG's Not GIF”，是一種位圖文件(bitmap file)存儲(chǔ)格式，讀成“ping”。PNG用來(lái)存儲(chǔ)灰度圖像時(shí)，灰度圖像的深度可多到16位，存儲(chǔ)彩色圖像時(shí)，彩色圖像的深度可多到48位，并且還可存儲(chǔ)多到16位的α通道數(shù)據(jù)。PNG使用從LZ77派生的無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮算法。

PNG數(shù)據(jù)塊（Chunk）

PNG定義了兩種類型的數(shù)據(jù)塊，一種是稱為關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊(critical chunk)，這是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)塊，另一種叫做輔助數(shù)據(jù)塊(ancillary chunks)，這是可選的數(shù)據(jù)塊。關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊定義了4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)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。雖然PNG文件規(guī)范沒有要求PNG編譯碼器對(duì)可選數(shù)據(jù)塊進(jìn)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)塊的類別，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。

為了簡(jiǎn)單起見，我們假設(shè)在我們使用的PNG文件中，這4個(gè)數(shù)據(jù)塊按以上先后順序進(jìn)行存儲(chǔ)，并且都只出現(xiàn)一次。

數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)

PNG文件中，每個(gè)數(shù)據(jù)塊由4個(gè)部分組成，如下：

CRC(cyclic redundancy check)域中的值是對(duì)Chunk Type Code域和Chunk Data域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算：

x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1

下面，我們依次來(lái)了解一下各個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)吧。

IHDR

文件頭數(shù)據(jù)塊IHDR(header chunk)：它包含有PNG文件中存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)的基本信息，并要作為第一個(gè)數(shù)據(jù)塊出現(xiàn)在PNG數(shù)據(jù)流中，而且一個(gè)PNG數(shù)據(jù)流中只能有一個(gè)文件頭數(shù)據(jù)塊。

文件頭數(shù)據(jù)塊由13字節(jié)組成，它的格式如下表所示。

由于我們研究的是手機(jī)上的PNG，因此，首先我們看看MIDP1.0對(duì)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。并且，所以的PNG關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(shí)際上，如果一個(gè)圖片過(guò)大，會(huì)由于內(nèi)存耗盡而無(wú)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于實(shí)際設(shè)備的顯示能力。同時(shí)，MIDP也能支持alpha通道，但是，所有的alpha通道信息都會(huì)被忽略并且當(dāng)作不透明的顏色對(duì)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(shù)據(jù)的解壓和jar文件的解壓可以使用相同的代碼。（其實(shí)這也就是為什么J2ME能很好的支持PNG圖像的原因：））
• 濾波器方法：盡管在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(dāng)使用隔行掃描時(shí)，MIDP卻不會(huì)真正的使用隔行掃描方式來(lái)顯示。
• PLTE chunk：支持
• IDAT chunk：圖像信息必須使用5種過(guò)濾方式中的方式0 (None, Sub, Up, Average, Paeth)
• IEND chunk：當(dāng)IEND數(shù)據(jù)塊被找到時(shí)，這個(gè)PNG圖像才認(rèn)為是合法的PNG圖像。
• 可選數(shù)據(jù)塊：MIDP可以支持下列輔助數(shù)據(jù)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(guān)于更多的信息，可以參考http://www.w3.org/TR/REC-png.html

PLTE

調(diào)色板數(shù)據(jù)塊PLTE(palette chunk)包含有與索引彩色圖像(indexed-color image)相關(guān)的彩色變換數(shù)據(jù)，它僅與索引彩色圖像有關(guān)，而且要放在圖像數(shù)據(jù)塊(image data chunk)之前。

PLTE數(shù)據(jù)塊是定義圖像的調(diào)色板信息，PLTE可以包含1~256個(gè)調(diào)色板信息，每一個(gè)調(diào)色板信息由3個(gè)字節(jié)組成：

因此，調(diào)色板的長(zhǎng)度應(yīng)該是3的倍數(shù)，否則，這將是一個(gè)非法的調(diào)色板。

對(duì)于索引圖像，調(diào)色板信息是必須的，調(diào)色板的顏色索引從0開始編號(hào)，然后是1、2……，調(diào)色板的顏色數(shù)不能超過(guò)色深中規(guī)定的顏色數(shù)（如圖像色深為4的時(shí)候，調(diào)色板中的顏色數(shù)不可以超過(guò)2^4=16），否則，這將導(dǎo)致PNG圖像不合法。

真彩色圖像和帶α通道數(shù)據(jù)的真彩色圖像也可以有調(diào)色板數(shù)據(jù)塊，目的是便于非真彩色顯示程序用它來(lái)量化圖像數(shù)據(jù)，從而顯示該圖像。

IDAT

圖像數(shù)據(jù)塊IDAT(image data chunk)：它存儲(chǔ)實(shí)際的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)流中可包含多個(gè)連續(xù)順序的圖像數(shù)據(jù)塊。

IDAT存放著圖像真正的數(shù)據(jù)信息，因此，如果能夠了解IDAT的結(jié)構(gòu)，我們就可以很方便的生成PNG圖像。

IEND

圖像結(jié)束數(shù)據(jù)IEND(image trailer chunk)：它用來(lái)標(biāo)記PNG文件或者數(shù)據(jù)流已經(jīng)結(jié)束，并且必須要放在文件的尾部。

如果我們仔細(xì)觀察PNG文件，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，文件的結(jié)尾12個(gè)字符看起來(lái)總應(yīng)該是這樣的：

00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

不難明白，由于數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)的定義，IEND數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度總是0（00 00 00 00，除非人為加入信息），數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)總是IEND（49 45 4E 44），因此，CRC碼也總是AE 42 60 82。

實(shí)例研究PNG

以下是由Fireworks生成的一幅圖像，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，如下：
00000000~00000007：

可以看到，選中的頭8個(gè)字節(jié)即為PNG文件的標(biāo)識(shí)。

接下來(lái)的地方就是IHDR數(shù)據(jù)塊了：

00000008~00000020：

• 00 00 00 0D 說(shuō)明IHDR頭塊長(zhǎng)為13
• 49 48 44 52 IHDR標(biāo)識(shí)
• 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(gè)16色的圖像（也有可能顏色數(shù)不超過(guò)16，當(dāng)然，如果顏色數(shù)不超過(guò)8，用03表示更合適）
• 03 顏色類型，索引圖像
• 00 PNG Spec規(guī)定此處總為0（非0值為將來(lái)使用更好的壓縮方法預(yù)留），表示使壓縮方法(LZ77派生算法)
• 00 同上
• 00 非隔行掃描
• 36 21 A3 B8 CRC校驗(yàn)

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

• 00 00 00 27 說(shuō)明調(diào)色板數(shù)據(jù)長(zhǎng)為39字節(jié)，既13個(gè)顏色數(shù)
• 50 4C 54 45 PLTE標(biāo)識(shí)
• FF FF 00 顏色0
• FF ED 00 顏色1
• …… ……
• 09 00 B2 最后一個(gè)顏色，12
• 5F F5 BB DD CRC校驗(yàn)

00000063~000000C5：

這部分包含了pHYs、tExt兩種類型的數(shù)據(jù)塊共3塊，由于并不太重要，因此也不再詳細(xì)描述了。

000000C0~000000F8：

以上選中部分是IDAT數(shù)據(jù)塊

• 00 00 00 27 數(shù)據(jù)長(zhǎng)為39字節(jié)
• 49 44 41 54 IDAT標(biāo)識(shí)
• 78 9C…… 壓縮的數(shù)據(jù)，LZ77派生壓縮方法
• DA 12 06 A5 CRC校驗(yàn)

IDAT中壓縮數(shù)據(jù)部分在后面會(huì)有詳細(xì)的介紹。

000000F9~00000104：

IEND數(shù)據(jù)塊，這部分正如上所說(shuō)，通常都應(yīng)該是

00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

至此，我們已經(jīng)能夠從一個(gè)PNG文件中識(shí)別出各個(gè)數(shù)據(jù)塊了。由于PNG中規(guī)定除關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊外，其它的輔助數(shù)據(jù)塊都為可選部分，因此，有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)后，我們可以通過(guò)刪除所有的輔助數(shù)據(jù)塊來(lái)減少PNG文件的大小。（當(dāng)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(shù)據(jù)塊后，圖像將失去原來(lái)的可編輯性。）

刪除了輔助數(shù)據(jù)塊后的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)，文件大小減少后，并不影響圖像的內(nèi)容。

如上說(shuō)過(guò)，IDAT數(shù)據(jù)塊是使用了LZ77壓縮算法生成的，由于受限于手機(jī)處理器的能力，因此，如果我們?cè)谏蒊DAT數(shù)據(jù)塊時(shí)仍然使用LZ77壓縮算法，將會(huì)使效率大打折扣，因此，為了效率，只能使用無(wú)壓縮的LZ77算法，關(guān)于LZ77算法的具體實(shí)現(xiàn)，此文不打算深究，如果你對(duì)LZ77算法的JAVA實(shí)現(xiàn)有興趣，可以參考以下兩個(gè)站點(diǎn)：

• http://jazzlib.sourceforge.net/
• http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

參考資料：

PNG文件格式白皮書：http://www.w3.org/TR/REC-png.html
為數(shù)不多的中文PNG格式說(shuō)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(shí)現(xiàn)：http://jazzlib.sourceforge.net/
LZ77算法的JAVA實(shí)現(xiàn)，包括J2ME版本：http://www.jcraft.com/jzlib/index.html