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一、PNG格式基础
PNG格式文件结构很清晰，仅由两部分构成：（1）文件头 （2）文件数据块（chunk）
(1)文件头
PNG的文件头为8个字节：
89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A （16进制）
文件头是固定的，用以标明该文件是一个PNG格式文件。
(2)Chunk数据块
PNG格式文件中，除了文件头都是chunk数据块，不同的数据块在文件中起到不同的作用。
数据块结构
每个数据块由以下结构组成：
| 名称 | 字节数 | 备注 |
|---|---|---|
| Length | 4 | Chunk Data字段的长度 |
| Chunk Type Code | 4 | 标志数据块的类型（ASCII码） |
| Chunk Data | 由Length决定 | 数据 |
| CRC | 4 | 循环冗余检测 |
因此，一个数据块的长度等于
12
+
L
e
n
g
t
h
12+Length
1
2
+
L
e
n
g
t
h
数据块分类：
按照标准分为
关键数据块
和
辅助数据块
两种。只有
关键数据块
是必要的。
下表列出了关键数据块：
| 数据块符号 | 数据块名称 |
|---|---|
| IHDR | 文件头数据块 |
| IDAT | 图像数据块 |
| IEND | 图像结束数据块 |
| PLTE | 调色板数据块 |
一个真彩色PNG文件必须包含以上关键数据块的前三种，而伪彩色PNG图片还必须包含PLTE数据块，以携带调色板信息。
其它非关键数据块写到备忘里。
文件头数据块
IHDR是文件头数据块，描述了图片的一些元数据，13字节的数据分布如下：
| 域名 | 字节数 | 备注 |
|---|---|---|
| Width | 4 | 图像宽度 |
| Height | 4 | 图像高度 |
| Bit depth | 1 | 比特深度 |
| ColorType | 1 |
表明图像的颜色类型:
0：灰度图像；2：真彩色图像；3：索引彩色图像 |
| Compression method | 1 | 压缩方法 |
| Filter method | 1 | 滤波器方法 |
| Interlace method | 1 | 非隔行扫描为0、隔行为1 |
图像数据块
IDAT是图像数据块，存放着图像真正的数据信息。
图像结束数据块
IEND是图像结束数据块，它标志着图像的结束。
没有真正的数据内容，因此Length字段为0，所以，IEND数据块总是由以下字符组成：
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
调色板数据块
一个8bit伪彩色图像必须携带调色板数据块，它的数据部分由
2
8
2^8
2
8
个以下结构构成：
| 颜色 | 字节 |
|---|---|
| Red | 1 byte |
| Green | 1 byte |
| Blue | 1 byte |
根据调色板信息，图像数据可以索引得到对应的24bit RGB颜色信息。
二、案例分析
使用opencv-python得到一张10*10的PNG图像以便于分析：
import cv2
img=cv2.imread("input.bmp")
img1=cv2.resize(img,(10,10))
cv2.imwrite("output.png",img1)
(1)二进制文件分析
使用FlexHEX软件分析其组成，如图：
可以看到该png文件由四部分构成：
- 文件头——红色背景
- Chunk1——绿色背景
- Chunk2——白色背景
- Chunk3——蓝色背景
根据png数据块的知识，可以判断出三个chunk分别对应着IHDR（文件头数据块）、IDAT（图片信息数据块）和IEND（图片结束数据块），且本图为真彩色图片，没有调色板数据块。
(2)编程验证和元数据读取
使用C++编写程序，读上面的PNG文件。
主函数读取文件头和数据块
int main()
{
//打开文件、获取文件长度
FILE* file1;
fopen_s(&file1, "2.png", "rb");
fseek(file1, 0, SEEK_END);
int len = ftell(file1);
fseek(file1, 0, SEEK_SET);
//读入buffer
unsigned char* buffer = new unsigned char[len];
fread(buffer, sizeof(unsigned char),len , file1);
fclose(file1);
unsigned char* p = buffer;
//读文件头
cout << "文件头:" << endl;
unsigned char* head = new unsigned char[8];
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
head[i] = *(p + i);
cout << int(head[i]) << " ";
}
cout << endl;
p += 8;
//读chunks
int count = 0;
while (p < len+buffer)
{
//Length字段：
cout << "------------------" << endl;
count += 1;
cout << "Chunk" << count<<"："<<endl;
int chunkLen = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
chunkLen += *(p + i) << ((3 - i) * 8);
}
cout << "Chunk Data Length:" << chunkLen<<endl;
p += 4;
//Chunk Type Code字段:
string chunkType;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
char ch = *(p + i);
string st="";
st = ch;
chunkType.append(st);
}
cout << "Chunk Type:"<< chunkType << endl;
p += 4;
//Chunk Data字段
unsigned char* chunkData = new unsigned char[chunkLen];
for (int i = 0; i < chunkLen; i++)
{
chunkData[i] = *(p + i);
}
if (chunkType == "IHDR")
{
readMetaData(chunkData);
}
p += chunkLen;
//CRC字段
//没有写
p += 4;
}
return 0;
}
如果数据块类型是”IHDR“则读进入
readMetaData
函数读元数据
元数据读取readMetaData()
根据第一部分中png格式IHDR数据块的规则读取图片信息并输出。
void readMetaData(unsigned char *buf) {
cout << "=========Meta Data======="<<endl;
unsigned char *p = buf;
int width = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
width += *(p + i) << ((3 - i) * 8);
}
p += 4;
int height = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
height += *(p + i) << ((3 - i) * 8);
}
p += 4;
int bitDepth = *p;
p += 1;
int colorType = *p;
p += 1;
string colorT="";
switch (colorType)
{
case 0:
colorT = "灰度图像";
break;
case 2:
colorT = "真彩图像";
break;
case 3:
colorT = "索引图像";
break;
}
int compressionMethod = *p;
p += 1;
int filterMethod = *p;
p += 1;
int interlaceMethod = *p;
string interM = "";
switch (interlaceMethod)
{
case 0:
interM = "非隔行扫描";
break;
case 1:
interM = "隔行扫描";
break;
}
cout << "宽度(Width):" << width << endl;
cout << "高度(Height):" << height << endl;
cout << "比特位深(Bit Depth):" << bitDepth << endl;
cout << "色彩类型(Color Type):" << colorType <<" "<< colorT<< endl;
cout << "压缩类型(Compression Method):" << compressionMethod << endl;
cout << "滤波方法(Filter Method):" << filterMethod << endl;
cout << "隔行方法(Interlace Method):" << interlaceMethod <<" "<<interM<< endl;
cout << "======================="<<endl;
}
验证结果：
执行程序，得到结果如下：
根据结果，该PNG文件由文件头和三个chunk数据块构成，分别是IHDR、IDAT、IEND。
没有调色板数据块，元数据中色彩类型为2，即真彩色图像。
宽度为10，高度为10，位深为8，非隔行扫描。
实验结果与二进制文件的分析一致。
三、作业总结：
- png文件的数据结构比较简单有条理，方便读取信息
- 元数据中还有压缩类型和滤波方法这些暂时还没弄清楚
备忘：PNG其它可能数据块的信息
来源：
PNG文件格式详解