从魔术字开始分析png的构造

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前言

图片在在互联网开发中的重要性已经渗入各个角落,而PNG在移动端的普及更不在话下,无论是Android,iOS还是Web端,虽然也有压缩率更好的webp出现,不过webp不在本文讨论范围;

下面一起从PNG的图片格式开始,一步步了解一张PNG都包含哪些内容,以及如何读取相关信息;

PNG格式规范

任何文件都有它的格式规范,根据相关资料在PNG之前他的前身其实一种受专利保护的一种LZW压缩算法,PNG是在此基础之上提出来的一种图片格式,全称是Portable Network Graphic Format PNG是是无损压缩的一种图片格式,并且支持透明通道,根据每个像素用多少未来表示颜色,又可以做细分;一般来说图片相对占用空间更大;

魔术字和他的伙伴们

图片在存储的时候都是一些二进制的基础信息,如果我们用一些文本编辑器或者Hex编辑器打开一张图片,经常会看到类似下面这样的一堆数字;

png hex preview

注意起始的一串数字,PNG总是以89 50 4e 47 0d 0a 1a 0a 这一串开头。

这是因为根据PNG文件格式约定,其开头的8个字节是PNG的签名字节。并且每一个字节都是有含义的。为了更容易理解,笔者绘制了几张图:

png magic header

这8个字节每一组的含义其实也都很实际,第一个是魔术字作用大家可以参考PNG规范1,接着的三个字节就是PNG的字节表示,最后几个分别表示了不同系统下的换行符;

当然如果你不习惯看16进制的数据,也可以转换为十进制和ASCII来看,都是差不多的。后续我们在演示的时候实际上都是通过十六进制来表示,一方面不存在转义符,也不为出现位数问题,同时十六进制比较整齐;

png magic header decimal

png magic header ascii

图片头信息解析

签名头之后就是一些称之为chunk的块数据;这些chunk也按照一定的格式进行组织;

png chunk format

PNG的Chunk块具备较强的扩展性,在开始真正的像素数据块之前,我们熟知的图片宽度,长度,颜色模式等也都是放在chunk中的,根据约定,这些数据放在了第一个chunk中,被称为IHDR,类似还有PLTE,IDAT,IEND等,这些被称之为Critical Chunk,大意是格式要求严格的块。所有的png解码工具都必须能解析这些数据;

由于IHDR中有我们比较关心的数据,现在先看下IHDR的样子,首先他就是一个Chunk,所以肯定满足Chunk的四大块划分,同时IHDR是所包含的内容是确定,因此它的更多数据也是确定的,比如Length的具体长度就是13,类型是IHDR,Chunk Data中就是含义固定的13个字节,最后是CRC校验码。

所以我们直接看Chunk Data的13个字节。

png chunk format

这13个字节中宽高,颜色类型,深度还能理解,另外一些字段的话不是很好理解,具体参考官方说明。

与Critical Chunk向呼应的是Ancillary Chunk,大意是附加块;其数量相比Critical来说就多很多了。

提取头信息

既然我们一直知道了一张png图片的头部构造和高宽的存储位置,我们就可以通过代码来校验一个文件是否是png图片;

首先根据8字节的签名,我们可以校验一个文件是否是png(更严格的最好再通过获取高宽)

int[] PNG_HEADER_ASCII = {0x89, 0x50, 0x4e, 0x47, 0x0d, 0x0a, 0x1a, 0x0a};

// ...

inputStream = new FileInputStream(file);
byte[] header = new byte[PNG_HEADER_ASCII.length];
int read = inputStream.read(header);
if (read != PNG_HEADER_ASCII.length) {
  System.out.println("Failed to get image header: read " + read + "bytes");
  return false;
}
for (int i = 0; i < PNG_HEADER_ASCII.length; i++) {
  //必须的,去高位,只保留两位十六进制结果
  int c = 0xFF & header[i];
  if (c != PNG_HEADER_ASCII[i]) {
    System.out.println("Miss match byte[" + i + "]=" + header[i]);
    return false;
  }
}

解析IHDR中的数据并输出:

// check IHDR
// length : 4bytes
byte[] lengthBytesArray = new byte[4];
read = inputStream.read(lengthBytesArray);
int l = bytes2int(lengthBytesArray);
System.out.println("lengthBytesArray=" + l);

// chunk type : 4bytes
// 73 72 68 82
byte[] chunkType = new byte[4];
read = inputStream.read(chunkType);

// length data
byte[] widthBytesArray = new byte[4];
// widthBytesArray
read = inputStream.read(widthBytesArray);
int width = bytes2int(widthBytesArray);
System.out.println("width:" + width);
//height
read = inputStream.read(widthBytesArray);
int height = bytes2int(widthBytesArray);
System.out.println("height:" + height);

未完待续

PNG的内容比较多,其他有意思的细节后续分享。

作者:小文子
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