PNG文件结构分析
一、概述
PNG（Portable Network Graphics，便携式网络图形）是一种常见的图像存储格式。PNG可以支持透明背景，也可以保证在无损压缩前提下，将文件体积减到最小。PNG格式还为灰度图像和彩色图像分别16bit和48bit像素深度，还可以存储16位的α通道。
还具有以下特点：
流式读/写性
逐次逼近显示（先用低分辨率显示图像，然后逐步提高其分辨率）
真彩色数据流，但是可以有调色板数据块(PLTE)
二、文件结构
文件署名域
8字节；用于识别该文件是否为PNG文件；值如下：
数据块
每个数据块都由下表所示的四个域组成
| 名称 | 字节数 | 说明 |
|---|---|---|
| Length(长度) | 4 | 指定数据块中数据域的长度，其长度不超过(231−1)(231−1)字节 |
| Chunk Type Code(数据块类型码) | 4 | 数据块类型码由ASCII字母(A-Z和a-z)组成 |
| Chunk Data(数据块实际内容) | 可变长 | 存储按照Chunk Type Code指定的数据 |
| CRC(循环冗余检测) | 4 | 存储用来检测是否有错误的循环冗余码 |
关键数据块(critical chunk)
文件头数据块IHDR(header chunk)
包含PNG文件中存储的图像数据的基本信息，是PNG数据流中的第一个数据块，一个PNG数据流中只能有一个IHDR
| 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84：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) |
以下为一个本地8*8像素的png文件：
| 00 | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 0a | 0b | 0c | 0d | 0e | 0f |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 89 | 50 | 4e | 47 | 0d | 0a | 1a | 0a | 00 | 00 | 00 | 0d | 49 | 48 | 44 | 52 |
| 00 | 00 | 00 | 08 | 00 | 00 | 00 | 08 | 08 | 06 | 00 | 00 | 00 | c4 | 0f | be |
| 8b | 00 | 00 | 00 | 01 | 73 | 52 | 47 | 42 | 00 | ae | ce | 1c | e9 | 00 | 00 |
| 00 | 04 | 67 | 41 | 4d | 41 | 00 | 00 | b1 | 8f | 0b | fc | 61 | 05 | 00 | 00 |
| 00 | 09 | 70 | 48 | 59 | 73 | 00 | 00 | 16 | 25 | 00 | 00 | 16 | 25 | 01 | 49 |
| 52 | 24 | f0 | 00 | 00 | 00 | 11 | 49 | 44 | 41 | 54 | 28 | 53 | 63 | f8 | 4f |
| 00 | 8c | 08 | 05 | ff | ff | 03 | 00 | 84 | b5 | ff | 01 | 98 | b2 | ba | 5c |
| 00 | 00 | 00 | 00 | 49 | 45 | 4e | 44 | ae | 42 | 60 | 82 |
调色板数据块PLTE(palette chunk)
包含与索引彩色图像相关的彩色变换数据，置于图像数据块(image data chunk)之前。
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，因此调色板数据块所包含的最大字节数为768，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。调色板的颜色数不能超过图像色深中规定的颜色数，否则会非法。
便于非真彩色显示程序用它来量化图像数据。结构如下：
| 颜色 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Red | 1字节 | 0 = 黑，255 = 红 |
| Green | 1字节 | 0 = 黑，255 = 绿 |
| Blue | 1字节 | 0 = 黑，255 = 蓝 |
图像数据块IDAT(image data chunk)
包含实际的图像数据，允许编码器根据需要将压缩的数据流分为多个IDAT块，但它们必须连续出现，大小不限，但是过短时浪费空间。
可以出现在PNG数据流中的任何位置。
它是压缩算法的输出流。
图像结束数据IEND(image trailer chunk)
用于标记PNG文件(数据流已经结束)，必须放在文件的尾部。
IEND均为：
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
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。
举个例子
以下为一个本地8*8像素的png文件：
| 00 | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 0a | 0b | 0c | 0d | 0e | 0f |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 89 | 50 | 4e | 47 | 0d | 0a | 1a | 0a | 00 | 00 | 00 | 0d | 49 | 48 | 44 | 52 |
| 00 | 00 | 00 | 08 | 00 | 00 | 00 | 08 | 08 | 06 | 00 | 00 | 00 | c4 | 0f | be |
| 8b | 00 | 00 | 00 | 01 | 73 | 52 | 47 | 42 | 00 | ae | ce | 1c | e9 | 00 | 00 |
| 00 | 04 | 67 | 41 | 4d | 41 | 00 | 00 | b1 | 8f | 0b | fc | 61 | 05 | 00 | 00 |
| 00 | 09 | 70 | 48 | 59 | 73 | 00 | 00 | 16 | 25 | 00 | 00 | 16 | 25 | 01 | 49 |
| 52 | 24 | f0 | 00 | 00 | 00 | 11 | 49 | 44 | 41 | 54 | 28 | 53 | 63 | f8 | 4f |
| 00 | 8c | 08 | 05 | ff | ff | 03 | 00 | 84 | b5 | ff | 01 | 98 | b2 | ba | 5c |
| 00 | 00 | 00 | 00 | 49 | 45 | 4e | 44 | ae | 42 | 60 | 82 |
首先是八个字节的文件头标志，标识着png文件：
89 50 4e 47 0d 0a 1a 0a
IHDR数据块：
00 00 00 0d 说明IHDR头块长为13
49 48 44 52 IHDR标识（ascii码为IHDR）
PLTE和IDATA：
00 00 00 08 图像的宽 8像素
00 00 00 08 图像的高 8像素
08 表示色深，这里是2^8=256，即这是一个256色的图像
06 颜色类型，查表可知这是带α通道数据的真彩色图像
00 PNG Spec规定此处总为0（非0值为将来使用更好的压缩方法预留），表示使压缩方法(LZ77派生算法)
00 PNG Spec规定此处总为0（非0值为将来使用更好的压缩方法预留），表示使压缩方法(LZ77派生算法)
00 非隔行扫描
c4 0f be 8b CRC校验字段
IEND：
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
辅助数据块
分为4大类，描述一些细节信息，下文介绍。
数据块总览
| 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 | 否 | 否 | 第一块 |
| 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 | 图像最后修改时间数据块 | 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 | 否 | 否 | 最后一个数据块 |
几种辅助数据块
tRNS
透明度
Colour type为0、2或3的PNG图像（索引彩色图像）通过且tRNS块来显示透明信息，而Colour type为4或6的PNG图像（带α通道数据的灰度/真彩色图像）不需要此数据块就可以显示透明信息（直接从IDAT块的数据中提取α分量）。
如果存在tRNS块，则必须位于第一个IDAT块之前、PLTE块之后。
sRGB色彩空间
如果存在
sRGB
块，则图像样本符合 sRGB 颜色空间[
IEC 61966-2-1]
，并且应使用国际颜色联盟[
ICC-1]
和[
ICC-1A]
定义的指定渲染意图进行显示。
sRGB块的Chunk data部分只有1个字节：
| 名称 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| Rendering intent | 1字节 |
0：Perceptual，用于牺牲色度精度以更好地适应输出设备的图像，例如照片； 1：Relative colorimetric，用于需要颜色外观匹配（相对于输出设备白点）的图像，例如标志； 2：Saturation，用于牺牲亮度和色相以保持合适的饱和度的图像，例如图表和图形； 3：Absolute colorimetric，用于需要保留绝对色度的图像，例如用于其他输出设备的图像预览（校样）。 |
建议写入
sRGB
块的 PNG 编码器也写入
gAMA
块（以及可选的
cHRM
块）以与不使用
sRGB
块的解码器兼容。仅应使用以下值。
| 数据块 | Chunk data的取值（十进制） |
|---|---|
| gAMA | 45455 |
| cHRM |
White point x：31270 White point y：32900 Red x：64000 Red y：33000 Green x：30000 Green y：60000 Blue x：15000 Blue y：6000 |
当存在
sRGB
块时，建议识别它并能够进行颜色管理[
ICC]
的解码器忽略
gAMA
和
cHRM
块，而改用
sRGB
块。
物理分辨率pHYs
pHYs块指定用于显示图像的预期像素大小或纵横比。它包含了：
| 每单位像素数，X 轴 | 4字节（PNG无符号整数） |
|---|---|
| 每单位像素数，Y轴 | 4字节（PNG无符号整数） |
| 单位说明符 |
1字节（0：单位是米 1：单位未知） |
当单位说明符为 0 时，
pHYs
块仅定义像素纵横比；像素的实际大小仍未指定。
如果不存在
pHYs
块，则假定像素为正方形，并且未指定每个像素的物理尺寸。
压缩文本数据zTXt
推荐使用
zTXt
块来存储大块文本。一个zTXT块包含：
| 关键词 | 1-79字节（字符串） |
|---|---|
| 空分隔符 | 1字节 |
| 压缩方式 | 1个字节 |
| 压缩文本数据流 | n字节 |
660221)]
压缩文本数据zTXt
推荐使用
zTXt
块来存储大块文本。一个zTXT块包含：
| 关键词 | 1-79字节（字符串） |
|---|---|
| 空分隔符 | 1字节 |
| 压缩方式 | 1个字节 |
| 压缩文本数据流 | n字节 |