5.2 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。
5.2.1 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0~255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RLE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。
5.2.2 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(ancillary chunks)。
表5-8 PNG文件的组成结构
PNG文件标志 |
数据块(chunks) |
1.PNG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(critical 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γ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(sRGB) |
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 |
5.2.2 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
图5-13 包含调色板数据块(PLTE)的PNG图像文件格式
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1 |
PNG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) |
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+1 |
5.2.2 PNG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。
① 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(IHDR)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 |
Width |
4 |
图像宽度,以像素为单位 |
Height |
4 |
图像高度,以像素为单位 |
Bit depth |
1 |
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 |
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8 4: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 |
压缩方法(LZ77变种算法) |
Filter method |
1 |
滤波器方法 |
Interlace method |
1 |
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 { |
② 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 |
btRed |
1 |
红色颜色值 |
btGreen |
1 |
绿色颜色值 |
btBlue |
1 |
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 { |
5.2.2 PNG图像文件存储结构(4)
③ 图像数据块(IDAT)
PNG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; |
④ 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 82 |
PNG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/TR/REC-png.html。
5.2.3 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200×150,文件大小为19 534 字节。pic2.png图像的分辨率为200×150,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pic1.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 |
5.2.3 分析PNG图像文件结构(2)
表5-15归纳了pic1.png图像文件中文件头数据块(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 =13 |
49 48 44 52 |
数据块类型标志,49 48 44 52的ASCII值等于IHDR |
00 00 00 C8 |
图像的宽度,00 00 00 C8 = 200 |
00 00 00 96 |
图像的高度,00 00 00 96 = 150 |
08 |
色深,表示2的8次幂等于256色 |
03 |
03表示索引图像 |
00 |
00表示使用Deflate压缩编码压缩图像数据 |
00 |
00表示为将来使用更好的压缩方法预留 |
00 |
00表示非隔行扫描 |
AC 02 37 2B |
AC 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*/ |
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 |
physPixelPerUnitX |
4 |
每单位多少像素,x轴 |
physPixelPerUnitY |
4 |
每单位多少像素,y轴 |
UnkownUnit,Meter |
1 |
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 ; |
图5-20所示为pic1.png中的物理像素尺寸数据块(pHYs)的结构。
图5-20 pic1.png中的物理像素尺寸数据块(pHYs)的结构
5.2.3 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 =9 |
70 48 59 73 |
数据块类型标志,70 48 59 73的ASCII值等于pHYs |
00 00 0B 13 |
x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 |
y轴上每米像素的数量,00 00 0B 13 = 2835,即每米2835个像素 |
01 |
Meter=1,将单位定义为米 |
00 9A9C 18 |
CRC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 chunkHdr |
图5-21所示为pic1.png中的iCCP的数据结构。
图5-21 pic1.png图像文件中iCCP数据块结构
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 4D |
ICCP数据块的长度,00 00 0A 4D = 2637 |
69 43 43 50 |
数据块类型标志,69 43 43 50的ASCII值等于iCCP |
50 68 6F 74 6F 73 68 6F70 20 49 43 43 20 70 72 6F66 69 6C 65 00 |
配置文件名,长度1~79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 726F 66 69 6C 65 00 的ASCII值等于Photoshop ICC profile |
00 |
压缩方法,0表示使用deflate压缩 |
78 DA 9D 53~F7 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; |
图5-22所示为pic1.png中的gAMA的数据结构:
图5-22 pic1.png图像文件中gAMA数据块结构
5.2.3 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 04 |
gAMA数据块的长度,00 00 00 04 = 4 |
67 41 4D 41 |
数据块类型标志,67 41 4D 41的ASCII值等于gAMA |
00 00 B1 8E |
gamma校正信息 |
7C F8 51 93 |
CRC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 { |
图5-23所示为pic1.png中的cHRM的数据结构.
图5-23 pic1.png图像文件中cHRM数据块结构
表5-20所示为pic1.png图像文件中的cHRM数据块各字段的含义。
表5-20 pic1.png图像文件中的cHRM数据块各字段的含义
十六进制值 |
描 述 |
00 00 00 20 |
cHRM数据块的长度,00 00 00 20 = 32 |
63 48 52 4D |
数据块类型标志,63 48 52 4D的ASCII值等于cHRM |
00 007A 25 |
白色点的x轴坐标,00 00 7A 25 = 31269 |
续表
十六进制值 |
描 述 |
00 00 80 83 |
白色点的y轴坐标,00 00 80 83 = 32899 |
00 00 F9 FF |
红x坐标,00 00 F9 FF = 63999 |
00 00 80 E9 |
红y坐标,00 00 80 E9 = 33001 |
00 00 75 30 |
绿x坐标,00 00 75 30 = 30000 |
00 00 EA 60 |
绿y坐标,00 00 EA 60 = 60000 |
00 003A 98 |
蓝x坐标,00 00 3A 98 = 15000 |
00 00 17 6F |
蓝x坐标,00 00 17 6F = 5999 |
92 5FC5 46 |
CRC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调色板数据块(PLTE),因为pic1.png是256色图像,所以应该有256个调色板项,每个调色板项占3字节。
调色板数据块(PLTE)的结构可以用以下代码定义:
typedef struct { |
5.2.3 分析PNG图像文件结构(5)
图5-24所示为pic1.png中的调色板数据块(PLTE)的数据结构
图5-24 pic1.png图像文件中调色板数据块(PLTE)结构
图5-24 pic1.png图像文件中调色板数据块(PLTE)结构
表5-21 所示为pic1.png图像文件中的调色板数据块(PLTE)各字段的含义。
表5-21 pic1.png图像文件中调色板数据块(PLTE)各字段的含义
十六进制值 |
描 述 |
00 00 03 00 |
PLTE数据块的长度,00 00 03 00 = 768 |
50 4C 54 45 |
数据块类型标志,50 4C 54 45的ASCII值等于PLTE |
00 00 00 |
调色板第1个索引 |
FF FF FF |
调色板第2个索引 |
EA FF FF |
调色板第3个索引 |
………… |
调色板第…个索引 |
E4 DC DC |
调色板第255个索引 |
FF FF FF |
调色板第256个索引 |
7D 2C 3D AD |
CRC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图像透明数据块(tRNS),对于256色图像来说,图像透明数据块(tRNS)一共有256项,每项对应调色板数据块中的一项,00代表透明,FF代表不透明。
图像透明数据块(tRNS)的结构可以用以下代码定义:
PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr; |
图5-25所示为pic1.png中的图像透明数据块(tRNS)的数据结构
图5-25 pic1.png图像文件中图像透明数据块(tRNS)的结构
表5-22所示为pic1.png图像文件中的图像透明数据块(tRNS)各字段的含义。
表5-22 pic1.png图像文件中图像透明数据块(tRNS)各字段的含义
十六进制值 |
描 述 |
00 00 01 00 |
tRNS数据块的长度,00 00 01 00 = 256 |
74 52 4E 53 |
数据块类型标志,74 52 4E 53的ASCII值等于tRNS |
FF~00 |
图像透明数据块,一共256个,每个对应调色 |
53 F7 07 25 |
CRC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图像数据块(IDAT)。对于256色图像来说,图像数据块(IDAT)存放的是指向调色板的索引序号,对于16位色以上图像,图像数据块(IDAT)存放的是实际像素颜色,按0xRRGGBB排列。需要注意的是,图像数据块(IDAT)中的数据是经过变种的LZ77压缩过的。
图像数据块(IDAT)的结构可以用以下代码定义:
PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr; |
5.2.3 分析PNG图像文件结构(6)
图5-26所示为pic1.png中的图像数据块(IDAT)的数据结构
图5-26 pic1.png中的图像数据块(IDAT)的数据结构
图5-26 pic1.png中的图像数据块(IDAT)的数据结构
表5-23所示为pic1.png图像文件中的图像数据块(IDAT)各字段的含义。
表5-23 pic1.png图像文件中图像数据块(IDAT)各字段的含义
十六进制值 |
描 述 |
00 00 3D 53 |
IDAT数据块的长度,00 00 3D 53 = 15699 |
49 44 41 54 |
数据块类型标志,49 44 41 54的ASCII值等于IDAT |
78~67 |
图像数据块,一共15699字节,使用变种的LZ77压缩过 |
0E EE 51 34 |
CRC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图像结束数据(IEND),一般情况下所有PNG图像的图像结束数据(IEND)是一样的,除非自行修改。
图像结束数据(IEND)的结构可以用以下代码定义:
PNG_CHUNK_HEADER chunkHdr; |
图5-27所示为pic1.png中的图像结束数据(IEND)的数据结构。
图5-27 pic1.png中的图像结束数据(IEND)的数据结构
表5-24所示为pic1.png图像文件中的图像结束数据(IEND)各字段的含义。
表5-24 pic1.png图像文件中图像结束数据(IEND)各字段的含义
十六进制值 |
描 述 |
00 00 00 00 |
IEND数据块的长度,00 00 00 00 = 0 |
49 45 4E 44 |
数据块类型标志,49 45 4E 44的ASCII值等于IEND |
AE 42 60 82 |
CRC值 |
pic1.png文件格式已经分析完毕,pic2.png的文件格式可以参考上面pic1.png的分析,表5-25显示了pic1.png和pic2.png的文件结构区别。
表5-25 pic1.png和pic2.png的文件结构区别
pic1.png文件结构 |
pic2.png文件结构 |
IHDR |
IHDR |
pHYs |
pHYs |
iCCP |
iCCP |
gAMA |
gAMA |
cHRM |
cHRM |
PLTE |
× |
tRNS |
× |
IDAT |
IDAT |
IEND |
IEND |
从表5-24可以看出pic2.png没有PLTE和tRNS数据块,因为pic2.png是16位色图像不需要使用调色板。
PNG图像文件存储的数据块比较多,一般情况每个PNG图像文件的iCCP、gAMA和cHRM数据块中的数据是一样的,只有IHDR和pHYs两个数据块中某些字段数据不同,如图5-28所示
图5-28 两张不同的PNG格式图像的区别
图5-28 两张不同的PNG格式图像的区别
所以很多时候游戏编程人员为了节省游戏资源占用的硬盘空间,去掉了PNG图像文件的某些数据块。如果游戏的资源打包文件包含了PNG图像文件,但去掉了PNG某些数据块,这样对分析游戏资源包文件格式带来了一定的困难,但幸好PNG图像文件的某些数据块还是要保留的,例如图像数据块(IDAT),通过识别某些数据块的标识字符串还是比较容易识别出PNG格式的。