png檔案的資料結構映像格式

PNG是20世紀90年代中期開始開發的影像檔儲存格式，其目的是企圖替代GIF和TIFF檔案格式，同
時增加一些GIF檔案格式所不具備的特性。流式網狀圖形格式(Portable Network Graphic Format，PNG
)名稱來源於非官方的“PNG's Not GIF”，是一種位元影像檔案(bitmap file)儲存格式，讀成“ping”。P
NG用來儲存灰階映像時，灰階映像的深度可多到16位，儲存彩色映像時，彩色映像的深度可多到48位，
並且還可儲存多到16位的α通道資料。PNG使用從LZ77派生的無損資料壓縮演算法。

一、資料結構

1.PNG資料區塊
    PNG定義了兩種類型的資料區塊，一種是稱為關鍵資料區塊，這是標準的資料區塊，另一種叫做輔助資料
塊，這是可選的資料區塊。關鍵資料區塊定義了５個標準資料區塊，每個PNG檔案都必須包含它們，PNG讀寫軟
件也必須要支援這些資料區塊。至於可選資料區塊，規範只是提倡予以支援。
    下表就是PNG中資料區塊的類別，其中 * 號表示關鍵資料區塊：
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資料區塊符號 資料區塊名稱　　　　多資料區塊  可選否  位置限制  
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      *   PNG檔案標識　　　　　　　　  否　　　第一塊    
IHDR　* 　檔案頭資料區塊　　　　否　　　　否　　　第二塊  
cHRM　　　基色和白色點資料區塊  否　　　　是　　 在PLTE和IDAT之前 
gAMA　　  映像γ資料區塊　　　　 否　　　　是　　 在PLTE和IDAT之前  
sBIT　　  樣本有效位元據塊　　否　　　　是　　 在PLTE和IDAT之前  
PLTE　*   調色盤資料區塊  　　　否　　　  是　　 在IDAT之前  
bKGD　　  背景顏色資料區塊 　　 否　　　  是　　 在PLTE之後IDAT之前  
hIST　　  映像長條圖資料區塊　  否 　　　 是　　 在PLTE之後IDAT之前  
tRNS　　  映像透明資料區塊　　  否　　　  是　　 在PLTE之後IDAT之前  
oFFs　　  (專用公用資料區塊)　  否　　　  是　　 在IDAT之前  
pHYs　　  物理像素尺寸資料區塊  否　　　  是　　 在IDAT之前  
sCAL　　  (專用公用資料區塊)　  否　　　  是　　 在IDAT之前  
IDAT　*   映像資料區塊 　　　　 是　　　　否　　 與其他IDAT連續 
tIME　　  映像最後修改時間　　否　　　　是　　 無限制  
tEXt　　  文本資訊資料區塊 　　 是　　　　是　　 無限制  
zTXt　　  壓縮文本資料區塊　　  是　　　　是　　 無限制  
fRAc　　  (專用公用資料區塊)　　是　　　　是　　 無限制  
gIFg　　  (專用公用資料區塊)　　是　　　　是　　 無限制  
gIFt　　  (專用公用資料區塊)　　是　　　　是　　 無限制  
gIFx　　  (專用公用資料區塊)　　是　　　　是　　 無限制  
IEND　*   映像結束資料區塊　　　否　　　　否　　 最後一塊  
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　　除了關鍵資料區塊，其它的資料區塊都是可有可無的。

2.資料區塊結構
    PNG檔案中，除了PNG檔案標識外，所有的資料區塊均由４個部分組成，如下表：
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順號 名稱　　    位元組數　　說明  
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１　長度　　　　　4  　　 指定第３部分資料域的長度  
２　資料區塊符號　　4  　　 由資料區塊符號的 Ascii 碼組成  
３　資料域　　   不定     儲存按照 Chunk Type Code 指定的資料  
４　CRC校正   　 4　　　　又稱迴圈冗餘檢測，用來檢測是否有錯誤
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　　迴圈冗餘檢測中的值是對第２部分資料區塊符號和第３部分資料域進行計算得到的，具體演算法定義在
ISO 3309 和　ITU-T V.42中，其值按下面的 CRC 碼產生多項式進行計算：
    x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

3.５個關鍵資料區塊的具體結構。

　①PNG檔案標識
　　它固定為８個位元組：89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，前４個位元組為“.PNG”的 Ascii 碼。

　②檔案頭資料區塊
　　它包含有 PNG 檔案中儲存的映像資料的基本資料，並要作為第二個資料區塊出現在 PNG 資料流中，
一個 PNG 資料流中只能有一個檔案頭資料區塊。格式如下表所示。
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網域名稱稱　　 位元組數　　說明  
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資料域長度　 4 　　 指定資料域的長度，固定為00 00 00 0D
資料區塊符號　 4  　　49 48 44 52，是“IHDR”的 Ascii 碼
　（以下１３個位元組是資料域）
映像寬度　　 4　　　單位：像素
映像高度　　 4　　　單位：像素
色彩深度　　 1　    灰階映像：1、2、4、8 或 16 
　　　　　　    　　真彩色映像：8 或 16
　　　　　　　　　　索引彩色映像：1、2、4 或 8 
　　　　　　　　　　帶α通道資料的灰階映像：8 或 16
　　　　　　　　　　帶α通道資料的真彩映像：8 或 16
顏色類型　　 1　　　灰階映像：0
　　　　　　    　　真彩色映像：2
　　　　　　    　　索引彩色映像：3
　　　　　　    　　帶α通道資料的灰階映像：4
　　　　　　    　　帶α通道資料的真彩色映像：6
壓縮方法　　 1  　　規定此位元組為0(使用LZ77派生演算法壓縮)
濾波器方法   1　　　通常此位元組為0
隔行掃描方法 1　　　非隔行掃描：0 
　　　　　　    　　Adam7(7遍隔行掃描方法)：1
CRC校正   　 4
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　③調色盤資料區塊
　　包含有與索引彩色映像相關的彩色變換資料，它僅與索引彩色映像有關，而且要放在映像資料區塊之
前。它定義映像的調色盤資訊，其資料結構如下：
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網域名稱稱　　   位元組數　　說明  
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資料域長度　　4  　　 指定資料域的長度
資料區塊符號　　4  　　 50 4C 54 45，是“PLTE”的 Ascii 碼
資料域　　   不定     ｎ個調色盤，就有３×ｎ個位元組長度，最多 3×256 位元組  
CRC校正   　 4
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　　每一個調色盤由表示紅、綠、藍資訊的３個位元組組成，因此，調色盤的長度應該是３的倍數，否則
就是非法的調色盤。
    對於索引映像，調色盤資訊是必須的，調色盤的色彩索引從０開始編號，然後是１、２……，調色
板的顏色數不能超過檔案頭資料區塊中“色彩深度”規定的顏色數（例像色深為４時，調色盤中的顏
色數不可超過2^4=16），否則將導致 PNG 映像不合法。
    真彩色映像和帶α通道資料的真彩色映像可以有調色盤資料區塊，目的是便於非真彩色顯示程式用它
來量化映像資料，從而顯示該映像，也可以不要調色盤。

　④映像資料區塊
　　它儲存實際的資料，在資料流中可包含多個連續順序的映像資料區塊。其資料結構如下：
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網域名稱稱　　   位元組數　　說明  
--------------------------------------------------------
資料域長度　　4  　　 指定資料域的長度  
資料區塊符號　　4  　　 49 44 41 54，是“IDAT”的 Ascii 碼
資料域　　   不定    存放著映像真正的資料資訊（壓縮的）   
CRC校正   　 4
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　　由於映像資料區塊是壓縮資料，如果你能夠掌握壓縮和解壓縮的方法，那麼你就能輕易而舉地將其它
類型的圖片轉換成PNG圖片，或者將PNG圖片轉換成其它類型的圖片。

　⑤映像結束塊
　　它用來標記PNG檔案或者資料流已經結束，必須要放在檔案的尾部。其資料結構如下：
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網域名稱稱　　   位元組數　　說明  
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資料域長度　　4  　　 全為0：00 00 00 00
資料區塊符號　　4  　　 49 45 4E 44，是“IEND”的 Ascii 碼
資料域　　   
CRC校正   　 4　　　　AE 42 60 82
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二、一個具體的例子
    用系統畫圖建立一個8×8像素的映像，填充紅色，另存新檔PNG圖片，該圖片全部資料如下（註：因
裝置差異，你的資料也許會有微小不同）：

000000: 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A 00 00 00 0D 49 48 44 52
000010: 00 00 00 08 00 00 00 08 08 02 00 00 00 4B 6D 29
000020: DC 00 00 00 01 73 52 47 42 00 AE CE 1C E9 00 00
000030: 00 04 67 41 4D 41 00 00 B1 8F 0B FC 61 05 00 00
000040: 00 20 63 48 52 4D 00 00 7A 26 00 00 80 84 00 00
000050: FA 00 00 00 80 E8 00 00 75 30 00 00 EA 60 00 00
000060: 3A 98 00 00 17 70 9C BA 51 3C 00 00 00 17 49 44
000070: 41 54 18 57 63 FC CF 80 03 00 25 B0 22 EC A2 20
000080: 63 06 52 07 00 11 99 38 C9 DB F8 06 FD 00 00 00
000090: 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

分析：

000000－000007：這８個位元組為 PNG 檔案標識。

000008－000020：檔案頭資料區塊，其中：
    00 00 00 0D：資料域長度為１３位元組
    49 48 44 52：檔案頭資料區塊符號“IHDR” 
    00 00 00 08：映像寬8像素 
    00 00 00 08：映像高8像素 
    08：24位色彩深度
    02：顏色類型為真彩 
    00：使用壓縮 
    00：濾波器方法，通常為0 
    00：非隔行掃描
    4B 6D 29 DC：CRC校正碼 

000021－00002D：可選資料區塊 sRGB

00002E－00003D：可選資料區塊 gAMA（映像γ資料區塊）

00003E－000069：可選資料區塊 cHRM（基色和白色點資料區塊）

00006A－00008C：IDAT資料區塊，其中：
    00 00 00 17：資料域長度為２３位元組 
    49 44 41 54：IDAT資料區塊標識“IDAT”
    18 57 63… ：壓縮的資料 
    DB F8 06 FD：CRC校正碼

00008D－000098：IEND資料區塊，如上所說，固定為 00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

    由於 PNG 中規定除關鍵資料區塊外，其它的輔助資料區塊都為可選的，因此，我們可以用Hex編輯器來
對這些資料做增刪實驗（Hex編輯器：http://bbs.pfan.cn/post-249666.html）
　　
1.為圖片減肥：利用Hex編輯器的刪除功能，刪除000020－000069這３個輔助資料區塊，檔案位元組數由原
來的１５３位元組縮減到８０位元組，而並不影響映像的內容！試試看，你成功了嗎？
　　但要注意的是，PNG 格式可以儲存映像中的層、文字等資訊，一旦刪除了這些資料後，映像將失去
原來的可編輯性。

2.添加文本資訊：增加這麼一個字串“PNG圖片”，字串的Ascii碼是50 4E 47 CD BC C6 AC，共７
個位元組，所以資料域長度應為00 00 00 07，資料區塊符號是“tEXt”，Ascii是74 45 58 74，至於CRC校
驗碼，我們隨便寫４個位元組，就寫 BA 2D 29 CC 吧！這些資訊全合起來就是：
　　00 00 00 07 74 45 58 74 50 4E 47 CD BC C6 AC BA 2D 29 CC
共19位元組。由於tEXt資料區塊可以出現在任意資料區塊之間，我們就利用Hex編輯器的插入功能把這19個字
節從000068插入吧，然後另存新檔，再用附件中的代碼開啟它，我們就不禁可以看到映像，還可以看到這
7個字元文本了！