PNG文件分析与实例
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Abstract
本文采用从理论到实践的行文思路，两大部分采用同样的结构分析PNG文件，实乃杀人放火学术科研必备好文。
概述
便携式网络图形（Portable Network Graphics，PNG），开发于20世纪90年代中期，用于替代GIF和TIFF格式，同时增加了一些GIF格式不具备的特性。支持索引、灰度、RGB三种颜色方案以及alpha通道特性，支持256色调色板技术，产生文件的体积小，最高支持24位真彩色图像和8位灰度图像，支持存在附加文本信息，以保留图像名称、作者、著作权、创作时间、注释等，支持无损压缩，适合在网络传输中快速显示预览效果后再显示全貌。
PNG文件的结构可以分为两个部分：头部和数据块序列。
理论存在
头部
头部由固定的8字节识别标志组成，它们是
| 10进制 | 137 80 78 71 13 10 26 10 |
|---|---|
| 16进制 | 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A |
这确保了系统与软件能识别出它是PNG文件，每一字节均有各自的含义：
| 字节（16进制） | 含义 |
|---|---|
89 | 超出ascii字符范围，防止被当作文本文件 |
50 4E 47 | 对应ascii码的"PNG"（大写） |
0D 0A | DOS风格的换行符，用于DOS-Unix数据的换行符转换 |
1A | 在DOS命令行下，用于阻止文件显示的文件结束符 |
0A | Unix风格的换行符，用于Unix-DOS换行符的转换 |
数据块的结构
数据块由4个部分组成：
| 组成部分 | 长度/bytes | 说明 |
|---|---|---|
| Length | 4 | 指定Chunk Data部分的长度（字节） |
| Chunk Type Code | 4 | 指定数据块的类型（ascii字母） |
| Chunk Data | 0~231-1 | 数据部分 |
| CRC | 4 | 循环冗余码，用于检测错误 |
可以分为两种类型：关键数据块和辅助数据块，其中：
关键数据块
关键数据块共4种，每个PNG文件都必须包含这四种数据块。
IHDR - 文件头数据块
包含PNG文件中存储的图像数据基本信息，位于数据块序列的首位，一个PNG文件只能拥有一个IHDR。
Length字段：指定Chunk Data的长度为13字节
Chunk Type字段：
| 10进制 | 73 72 68 82 |
|---|---|
| 16进制 | 49 48 44 52 |
Chunk Data字段：
| 名称 | 字节数 | 说明 |
|---|---|---|
| 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 | 图像位深，取值1、2、4、8、16 |
| ColorType | 1 | 颜色类型，取值0、2、3、4、6 |
| Compression method | 1 | 压缩方法，取值0，表示deflate压缩方法 |
| Filter method | 1 | 滤波器方法 |
| Interlace method | 1 | 隔行扫描方法，0表示无隔行，1表示Adam7隔行 |
PLTE - 调色板数据块
包含与索引彩色图像相关的彩色变换数据，仅与索引彩色图像有关，而且要放在图像数据块IDAT之前。
- 对于Colour type 3的PNG图像（索引图像），PLTE块是必需的，此时调色板的颜色索引从0开始编号，然后是1，2……
- 对于Colour type为2和6的图像，PLTE块是可选的，此时调色板将提供一个1—256的建议颜色集，以便软件或屏幕不支持显示真彩色时量化真彩色图像
- Colour type为0和4的图像中不能出现PLTE块
Length字段：指定Chunk Data的长度
Chunk Type字段：
| 10进制 | 80 76 84 69 |
|---|---|
| 16进制 | 50 4C 54 45 |
Chunk Data字段：可以包含1-256个调色板信息，每个信息由3个字节组成：
| 颜色 | 字节数 | 说明 |
|---|---|---|
| R | 1 | 0=黑，255=红 |
| G | 1 | 0=黑，255=绿 |
| B | 1 | 0=黑，255=蓝 |
IDAT - 图像数据块
用于存储实际的图像数据，一个PNG文件中可以包含多个连续的IDAT。
Length字段：指定Chunk Data的长度
Chunk Type字段：
| 10进制 | 73 68 65 84 |
|---|---|
| 16进制 | 49 44 41 54 |
Chunk Data字段：储存图像数据
IEND - 图像结束数据块
标志着PNG数据流的结束，位于数据流的最后一个。
Length字段：指定Chunk Data的长度为0
Chunk Type字段：
| 10进制 | 73 69 78 68 |
|---|---|
| 16进制 | 49 45 4E 44 |
Chunk Data字段为空
辅助数据块
辅助数据块类型众多，PNG文件格式规范规定了10种辅助数据块：
| 数据块 | 说明 |
|---|---|
| bKGD | 背景颜色数据块，位于PLTE之后、IDAT之前 |
| cHRM | 基色和白色度数据块，位于PLTE和IDAT之前 |
| gAMA | 图像γ数据块，位于PLTE和IDAT之前 |
| hIST | 图像直方图数据块，位于PLTE之后、IDAT之前 |
| pHYs | 物理像素尺寸数据块，在IDAT之前 |
| sBIT | 样本有效位数据块，位于PLTE和IDAT之前 |
| tEXt | 文本信息数据块，可以有多个 |
| tIME | 图像最后修改时间数据块 |
| tRNS | 图像透明数据块，位于PLTE之后、IDAT之前 |
| zTXt | 压缩文本数据块，可以有多个 |
实践开始
选取图片文件lab2test.png如下
使用Xcode打开
上文中，我们提到了：
头部
关键数据块
IHDR - 文件头数据块
Length字段：指定Chunk Data的长度为13字节
Chunk Type字段：
| 16进制 | 49 48 44 52 |
|---|
Chunk Data字段：
| 名称 | 字节数 | 说明 |
|---|---|---|
| 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 | 图像位深，取值1、2、4、8、16 |
| ColorType | 1 | 颜色类型，取值0、2、3、4、6 |
| Compression method | 1 | 压缩方法，取值0，表示deflate压缩方法 |
| Filter method | 1 | 滤波器方法 |
| Interlace method | 1 | 隔行扫描方法，0表示无隔行，1表示Adam7隔行 |
PLTE - 调色板数据块
Color Tpye为6，PLTE块是可选的，测试图片中恰好没有PLTE块
IDAT - 图像数据块
如图，可以看出测试图片中共有189个IDAT数据块，以第一个IDAT数据块为例：
Length字段指定Chunk Data的长度
长度为400016=1638410字节
Chunk Type字段为
| 16进制 | 49 44 41 54 |
|---|
Chunk Data字段储存图像数据
IEND - 图像结束数据块
Length字段指定Chunk Data的长度为0
Chunk Type字段为
| 16进制 | 49 45 4E 44 |
|---|
Chunk Data字段为空
辅助数据块
图中包含物理像素尺寸数据块pHYs，在IDAT之前
