解析PNG图像文件.docx

1、解析PNG图像文件 PNG图像文件介绍PNG图像文件格式PNG是可携式网络图像（portable network graphics）的英文缩写。PNG是从网络上开始发展的，目的是替代GIF和JPG格式，PNG图像文件格式也是当今游戏中常用的图像资源文件格式 了。PNG图像文件支持的图像颜色非常丰富，存储灰度图时可使用16位色深表示，存储真彩色图像时色深更可达到48位之多。PNG图像文件介绍与BMP格式相比，PNG格式稍微复杂些。PNG图像支持从0255级次的多层透明色，使用无损压缩的zlib压缩算法压缩图像数据。通常使用 zlib压缩过的图像文件大小比BMP使用的RLE压缩的效果好，BMP的R

2、LE压缩算法只支持压缩8位以下的图像，对于16位以上的真彩色图像不支持图 像压缩，PNG使用的zlib压缩算法支持任何色深的图像数据压缩，压缩后的图像数据可以完整还原，相比之下JPG需要牺牲图像质量使用有损压缩来获得大 的压缩率。最后有一点需要注意，PNG图像格式使用Big-Endian顺序存储数据。PNG图像文件存储结构（1）PNG文件存储结构的格式可以在http:/www.w3.org/TR/REC-png.htm上找到定义。BMP文件总体上由两部分组成，分别是PNG文件标志和数据块（chunks），如表5-8所示。其中数据块分为两类：关键数据块（critical chunk）和辅助数据块

3、（ancillary chunks）。表5-8 PNG文件的组成结构PNG文件标志数据块（chunks）1PNG文件标志PNG文件标志由8字节数据组成：89 50 4E 47 0D 0A 1A 0Ah，其中50 4E 47对应的ASCII值是PNG。2数据块（chunks）紧跟在PNG文件标志后面的数据是数据块（chunks），数据块（chunks）分为两类：关键数据块（critical chunks）和辅助数据块（ancillary chunks）。关键数据块（critical chunk）在PNG文件中是必须有的，而辅助数据块（ancillary chunks）是可选的。关键数据块（cri

4、tical chunks）由4部分组成：文件头数据块（IHDR）、调色板数据块（PLTE）、图像数据块（IDAT）和图像结束数据（IEND），其中调色板数据块（PLTE）根据图像的色深可选。辅助数据块（ancillary chunks）一共有14个，这些辅助数据块包含了很多信息，辅助数据块不是必须包含的。PNG文件的关键数据块和辅助数据块的组织顺序如表5-9和表5-10所示。表5-9 PNG文件的关键数据块(critical chunks)组织顺序数据块名称允许多个数据块位 置文件头数据块（IHDR）不允许第一个数据块调色板数据块（PLTE）不允许第二个数据块，可选图像数据块（IDAT）允许如

5、果有调色板数据块（PLTE），则是第三个数据块，如果没有调色板数据块（PLTE），则时第二个数据块。如果有多个图像数据块，则必须按图像数据连续存储图像结束数据（IEND）不允许最后一个数据块表5-10 PNG文件的辅助数据块(ancillary chunks)组织顺序数据块名称允许多个数据块位 置基色和白色点数据块（cHRM）不允许在PLTE和IDAT之前图像数据块（gAMA）不允许在PLTE和IDAT之前ICCP(iCCP)允许在PLTE之后IDAT之前如果有iCCP，则无sRGB续表数据块名称允许多个数据块位 置样本有效位数据块（sBIT）不允许在PLTE和IDAT之前标准RPG颜色（sR

6、GB）不允许在PLTE之后IDAT之前如果有sRGB，则无iCCP背景颜色数据块（bKGD）不允许在PLTE之后IDAT之前图像直方图数据块（hIST）不允许在PLTE之后IDAT之前图像透明数据块（tRNS）不允许在PLTE之后IDAT之前物理像素尺寸数据块（pHYs）不允许在IDAT之前建议调色板（sPLT）允许在IDAT之前图像最后修改时间数据块（tIME）不允许无限制国际文本数据（iTXt）允许无限制文本信息数据块（tEXt）允许无限制压缩文本数据块（zTXt）允许无限制PNG图像文件存储结构（2）用图像可以清晰显示表5-9和表5-10之间的关系，如图5-13和图5-14所示。 （点击

7、查看大图）图5-13 包含调色板数据块（PLTE）的PNG图像文件格式 （点击查看大图）图5-14 不包含调色板数据块（PLTE）的PNG图像文件格式图中上标的含义如表5-11所示。表5-11 上标的含义符 号含 义1只有1个+1个或多个？0个或1个*0个或多个|2选1PNG图像文件中每一块数据块的格式都是相同的，分别由4个部分组成，格式如表5-12所示。表5-12 PNG文件的数据块格式字 段 名大小（单位：字节）描 述Length（长度）4指定数据块中的数据长度 Chunk Type Code（数据块类型码）4数据块类型，例如IHDR、PLTE、IDAT等Chunk Data（数据块数据）

8、Length存储数据CRC（循环冗余检测）4循环冗余码CRC循环冗余码生成的计算方式是通过对Chunk Type Code和Chunk Data中的数据进行计算得到的，计算方式如下：x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1PNG图像文件存储结构（3）下面将讲解在PNG文件中的4个关键数据块（critical chunk）的含义。 文件头数据块（IHDR）文件头数据块（IHDR）它包含有PNG文件中存储的图像数据的基本信息，如图像的宽高、色深、颜色类型、压缩方式等。一个PNG文件只能有一个文件头数据块，表5-13列出了文件头数据块（IH

9、DR）中各字段的含义。表5-13 文件头数据块(IHDR) 中各字段的含义字段名大小（单位：字节）描 述Width4图像宽度，以像素为单位Height4图像高度，以像素为单位Bit depth1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16ColorType1颜色类型：0：灰度图像，1，2，4，8或162：真彩色图像，8或163：索引彩色图像，1，2，4或84：带通道数据的灰度图像，8或166：带通道数据的真彩色图像，8或16Compression method1压缩方法（LZ77变种算法）Filter method1滤波器方法Interlace m

10、ethod1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）文件头数据块（IHDR）结构可以使用如下代码定义：typedef struct DWORD btChunkLen;CHAR btChunkType4; PNG_CHUNK_HEADER;typedef enum pngColorSpaceType GrayScale = 0,TrueColor = 2,Indexed = 3,AlphaGrayScale = 4,AlphaTrueColor = 6 PNG_COLOR_SPACE_TYPE;/ Compression Meth

11、odstypedef enum pngCompressionMethod Deflate = 0 PNG_COMPR_METHOD;/ Filter Methodstypedef enum pngFilterMethod AdaptiveFiltering = 0 PNG_FILTER_METHOD;/ Interlace Methodstypedef enum pngInterlaceMethod NoInterlace = 0,Adam7Interlace = 1 PNG_INTERLACE_METHOD;/ IHDR datatypedef struct UINT width;UINT

12、height;BYTE bit_depth;PNG_COLOR_SPACE_TYPE color_type;PNG_COMPR_METHOD compr_method;PNG_FILTER_METHOD filter_method;PNG_INTERLACE_METHOD interlace_method; IHDR_CHUNK_DATA; 调色板数据块（PLTE）PNG的调色板数据块（PLTE）和之前介绍BMP图像格式中的调色板类似，都是提供给8位色深以下的图像使用。PNG的调色板由3个字节组成，每个字节分别表示红、绿、蓝三色的颜色值。对于PNG图像文件来说，大于8位色深的图像，如真彩色图像

13、也可以使用调色板，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。一个PNG文件只能有一个调色板数据块，调色板数据块从下标0开始，表5-14列出了调色板数据块（PLTE）中各字段的含义。表5-14 调色板数据块(PLTE) 中各字段的含义字段名大小（单位：字节）描 述btRed1红色颜色值btGreen1绿色颜色值btBlue1蓝色颜色值调色板数据块（PLTE）结构可以使用如下代码定义：typedef struct BYTE btRed ;BYTE btGreen;BYTE btBlue; PNG_PALETTE_PIXEL;PNG图像文件存储结构（4） 图像数据块（IDAT）P

14、NG的图像数据块（IDAT）存储图像的实际数据，相当于BMP图像的图像数据，由于PNG可包含多幅图像，所以PNG的图像数据块可能是由一幅图像的数据组成，也可能是由多幅图像的数据组成。图像数据块中的图像数据可能是经过变种的LZ77压缩编码DEFLATE压缩的，关于DEFLATE详细介绍可以参考DEFLATE Compressed Data Format Specification version 1.3，网址： http:/www.ietf.org/rfc/rfc1951.txt 。图像数据块（IDAT）结构可以使用如下代码定义：PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;BYTE id

15、atChunkDatachunkHdr.btChunkLen;DWORD idatCrc ; 图像结束数据（IEND）PNG的图像结束数据（IEND）用来标记PNG文件结束，并且必须要放在文件的尾部。一般情况下，所有PNG图像结束数据（IEND）的十六进制数值都是一样的，具体的数值如下：00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82PNG的辅助数据块（ancillary chunks）一共有14个，可以分为5类，如表5-10所示，由于篇幅关系不能将全部辅助数据块（ancillary chunks）的详细结构进行说明，如果读者有兴趣请参考 http:/www.w3.org

16、/TR/REC-png.html。分析PNG图像文件结构（1）结合上面对PNG文件的分析，下面分别对256色和16位色的PNG图像进行十六进制分析，通过分析PNG文件让读者更深入了解PNG文件格式。如图5-15和图5-16所示，分别为256色PNG图像pic1.png和16位色PNG图像pic2.png。其中pic1.png图像的分辨 率为200150，文件大小为19 534 字节。pic2.png图像的分辨率为200150，文件大小为104 744字节，带透明通道。图5-15 pic1.png图像 图5-16 pic2.png图像现在来分析pic1.png的图像文件，在Winhex中打开pi

17、c1.png，如图5-17所示。 （点击查看大图）图5-17 在Winhex中打开pic1.png文件首先分析PNG的文件标志。根据PNG文件的定义，从文件头开始前8字节数据是PNG文件的标志，如图5-18所示。 （点击查看大图）图5-18 PNG文件的文件标志接下来应该就是PNG文件的数据块结构了，按照前面对PNG文件结构的分析，第一个数据块应该是文件头数据块（IHDR）数据块，文件头数据块（IHDR）定义了PNG文件的宽高、色深、压缩方法等参数，如图5-19所示。 （点击查看大图）图5-19 文件头数据块（IHDR）结构分析PNG图像文件结构（2）表5-15归纳了pic1.png图像文件中

18、文件头数据块（IHDR）中各字段的含义。由于PNG文件使用Big-Endian顺序存储数据，所以不需要反转字节数据理解。表5-15 pic1.png图像文件中文件头数据块(IHDR)的各字段含义十六进制值描 述00 00 00 0D文件头的数据长度，00 00 00 0D =1349 48 44 52数据块类型标志，49 48 44 52的ASCII值等于IHDR00 00 00 C8图像的宽度，00 00 00 C8 = 20000 00 00 96图像的高度，00 00 00 96 = 15008色深，表示2的8次幂等于256色0303表示索引图像0000表示使用Deflate压缩编码压缩

19、图像数据0000表示为将来使用更好的压缩方法预留0000表示非隔行扫描AC 02 37 2BAC 02 37 2B表示CRC从表5-14看到pic1.png文件的文件头数据块（IHDR）结构中的CRC字段的值为AC 02 37 2B，这个CRC值是按照从数据块类型标志字段到CRC字段前一字节的数据计算而来的，即使用数据49 48 44 52 00 00 00 C8 00 00 00 96 08 03 00 00 00计算，CRC的计算代码如下： /*8位消息的CRC表格*/unsigned long crc_table256;/*Flag：CRC表格计算完了吗？初始化 False*/int c

20、rc_table_computed = 0;/*写一个CRC表格*/void make_crc_table(void)unsigned long c;int n, k;for (n = 0; n 256; n+) c = (unsigned long) n;for (k = 0; k 1);elsec = c 1;crc_tablen = c;crc_table_computed = 1;/*使用bu0.len-1更新CRC表格*/unsigned long update_crc(unsigned long crc, unsigned char *buf,int len)unsigned lo

21、ng c = crc;int n;if (!crc_table_computed)make_crc_table();for (n = 0; n 8);return c;/* 返回 CRC表格buf0.len-1. */unsigned long crc(unsigned char *buf, int len)return update_crc(0xffffffffL, buf, len) 0xffffffffL;main()/*计算CRC需要的初始化数据，不同的数据块有不同的初始化数据*/unsigned char buf17 = 0x49,0x48,0x44,0x52,0x00,0x00,0

22、x00,0xC8,0x00,0x00,0x00,0x96,0x08,0x03,0x00,0x00,0x00;unsigned long value=0;value= crc(buf,17);继续分析下面的数据块，PNG图像文件的数据块类型由数据块类型标志决定，按照PNG图像文件中数据块的数据结构分析，接下来的数据块是物理像素尺寸数据块（pHYs），物理像素尺寸数据块（pHYs）指定像素大小或图像的宽和高的比例。表5-16所示为物理像素尺寸数据块（pHYs）中各字段的含义。表5-16 物理像素尺寸数据块(pHYs) 中各字段的含义字 段 名大小（单位：字节）描 述physPixelPerUnit

23、X4每单位多少像素，x轴physPixelPerUnitY4每单位多少像素，y轴UnkownUnit，Meter1枚举类型，UnkownUnit=0，表示只定义了像素显示的比例，未定义实际像素大小。枚举类型，Meter=1，表示定义单位为米物理像素尺寸数据块（pHYs）的结构可以用以下代码定义：PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr ;uint physPixelPerUnitX;uint physPixelPerUnitY;enum UnkownUnit = 0,Meter = 1 pHYs;DWORD pHYsCrc;图5-20所示为pic1.png中的物理像素尺寸数据块（pH

24、Ys）的结构。 （点击查看大图）图5-20 pic1.png中的物理像素尺寸数据块（pHYs）的结构分析PNG图像文件结构（3）表5-17所示为pic1.png图像文件中物理像素尺寸数据块（pHYs）中各字段的含义。表5-17 pic1.png图像文件中物理像素尺寸数据块(pHYs)中各字段的含义十六进制值描 述00 00 00 09物理像素尺寸数据块的长度，00 00 00 09 =970 48 59 73数据块类型标志，70 48 59 73的ASCII值等于pHYs00 00 0B 13x轴上每米像素的数量，00 00 0B 13 = 2835，即每米2835个像素00 00 0B 13

25、y轴上每米像素的数量，00 00 0B 13 = 2835，即每米2835个像素01Meter=1，将单位定义为米00 9A 9C 18CRC值继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是iCCP，iCCP数据块是PNG解码时进行特殊的颜色处理信息。iCCP数据块的结构可以用以下代码定义：PNG_CHUNK_HEADER chunkHdrtypedef struct string profile_name;unsigned byte red; PNG_ICCP_CHUNK_DATA;DWORD ICCPCrc; 图5-21所示为pic1.png中的iCCP的数据结构。 （点击

26、查看大图）图5-21 pic1.png图像文件中iCCP数据块结构 （点击查看大图）图5-21 pic1.png图像文件中iCCP数据块结构表5-18所示为pic1.png图像文件中的iCCP数据块各字段的含义。表5-18 pic1.png图像文件中的iCCP数据块各字段的含义十六进制值描 述00 00 0A 4DICCP数据块的长度，00 00 0A 4D = 263769 43 43 50数据块类型标志，69 43 43 50的ASCII值等于iCCP50 68 6F 74 6F 73 68 6F 70 20 49 43 43 20 70 72 6F 66 69 6C 65 00配置文件名

27、，长度179字节，以0作为终止符的字符串。50 68 6F 74 6F 73 68 6F 70 20 49 43 43 20 70 72 6F 66 69 6C 65 00的ASCII值等于Photoshop ICC profile00压缩方法，0表示使用deflate压缩78 DA 9D 53F7 84 F3 FB压缩后的配置文件，解码时使用继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是gAMA，gAMA数据块是PNG解码时进行gamma校正的信息。gAMA数据块的结构可以用以下代码定义：PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;BYTE gamaChunkData

28、chunkHdr.btChunkLen;DWORD gamaCrc;图5-22所示为pic1.png中的gAMA的数据结构： （点击查看大图）图5-22 pic1.png图像文件中gAMA数据块结构分析PNG图像文件结构（4）表5-19所示为pic1.png图像文件中的gAMA数据块各字段的含义。表5-19 pic1.png图像文件中的gAMA数据块各字段的含义十六进制值描 述00 00 00 04gAMA数据块的长度，00 00 00 04 = 467 41 4D 41数据块类型标志，67 41 4D 41的ASCII值等于gAMA00 00 B1 8Egamma校正信息7C F8 51 9

29、3CRC值继续分析下面的数据，按照前面的分析方法，分析出接下来的数据块是cHRM，cHRM是在设备不能够显示正确的颜色时，使图像尽可能校正颜色的信息，也叫做设备无关的颜色信息。cHRM数据块的结构可以用以下代码定义：typedef struct uint x;uint y; PNG_POINT;typedef struct PNG_POINT white;PNG_POINT red;PNG_POINT green;PNG_POINT blue; PNG_CHRM_CHUNK_DATA;PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr;PNG_CHRM_CHUNK_DATA chrmChunkData;DWORD chrmCrc;图5-23所示为pic1.png中的cHRM的数据结构。 （