png图片结构分析与加密解密原理[转]

PNG文件格式分为PNG-24和PNG-8，其最大的区别是PNG-24是用24位来保存一个像素值，是真彩色，而PNG-8是用8位索引值来在调色盘 中索引一个颜色，因为一个索引值的最大上限为2的8次方既128，故调色盘中颜色数最多为128种，所以该文件格式又被叫做PNG-8 128仿色。PNG-24因为其图片容量过大，而且在Nokia和Moto等某些机型上创建图片失败和显示不正确等异常时有发生，有时还会严重拖慢显示速度，故并不常 用，CoCoMo认为这些异常和平台底层的图像解压不无关系。不过该格式最大的优点是可以保存Alpha通道，同事也曾有过利用该图片格式实现Alpha 混合的先例，想来随着技术的发展，手机硬件平台的提升，Alpha混合一定会被广泛的应用，到那时该格式的最大优势才会真正发挥。?

8 bit PNGs use an indexed color palette like GIF. If you want variable transparency, use 32bit PNGs (24 bit color, 8 bit alpha). If you don't care about transparency, use 24 bit PNGs.

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PNG-8文件是目前广泛应用的PNG图像格式，其主要有六大块组成：

?1.PNG文件标志，为固定的64个字节：0x89504e47 0x0d0a1a0a

?2.文件头数据块IHDR(header chunk)

3.调色板数据块PLTE(palette chunk)

4.sBIT,tRNS块?等。。。

5.图像数据块IDAT(image data chunk)

6.图像结束数据IEND(image trailer chunk)，固定的96个字节：0x00000000 0x49454e44 0xae426082

?这六大块按顺序排列，也就是说IDAT块永远是在PLTE块之后，期间也会有许多其他的区块用来描述信息，例如图像的最后修改时间是多少，图像的创建者是谁等，不过这些区块的信息对我们来说都是可有可无的描述信息，故压缩时一般先向这些区块开刀。

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??数据块1-4：?

除了PNG文件标志，其中四大数据块和文件尾都是由统一的数据块文件结构描述的：????????

??????? Chunk Length: 4byte????????

? ? ? ? Chunk Type:???4byte????????

??????? Chunk Data:???Chunk Length的长度????????

??????? Chunk CRC:??? 4byte

?例如IHDR块的数据长度为13，既????????

?????? Chunk Length = 13 ????????

?????? Chunk Type = "IHDR"

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IHDR块：

?用来描述图像的基本信息，其格式为：????????

图像宽：??? 4byte???????

图像高：??? 4byte???????

图像色深： 4byte???????

颜色类型：?1byte???????

压缩方法： 1byte???????

滤波方法： 1byte???????

扫描方法： 1byte?

曾经有人问过我，撒叫滤波方法和扫描方法，汗，说实话我也不知道，不过我们是在做手机游戏，不是在搞图形学不是嘛。

PLTE块：?

这个就是传说中放置调色盘数据的地方啦，其格式为：??????

???? 循环???????????

???????? RED：??? 1byte???????????

???????? GREEN：1byte???????????

???????? BLUE：? 1byte??????

???? END

?循环长度嘛，不就是Chunk Length / 3的长度嘛，而且Chunk Length一定为3的倍数。

tRNS块：?

这个块时有时无，主要是看你是否使用了透明色。该区块的格式为：???????

?????? 循环???????????

??????????? if(对应调色盘颜色非透明)????????????????

?????????????????? 0xFF：? 1byte???????????

??????????? else???????????????

?????????????????? 0x00：? 1byte??????

?????? END?

循环长度为调色盘的颜色数，相当于调色盘颜色表的一个对应表，标识该颜色是否透明，0xFF不透明，0x00透明。故如果用UltraEdit查看PNG文件的二进制编码，如果看到一大片FF，一般就是tRNS区块啦，因为一个PNG文件一般只有一个透明色。

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??IDAT块：?这个就是存放图像数据的地方啦，这里要注意的是一个PNG文件可能有多个IDAT区块，而其他三大区块只可能有一个。?IDAT 区块是经过压缩的，所以数据不可读 ，压缩算法一般为LZ77滑动窗口算法，如果硬要看里面的数据的话，用zlib库也是可以的，CoCoMo当年就见过 Windows Mobile上的帝国时代巨变态的用zlib库压缩和解压该区块来进一步减少PNG文件大小，真是寸K寸金啊。

IEND块：?该区块虽然也按照数据块的结构，但Chunk Data是没有的，所以是固定的96个字节：0x00000000 0x49454e44 0xae426082

IEND数据块的长度总是0（00 00 00 00，除非人为加入信息），数据标识总是IEND（49 45 4E 44），因此，CRC码也总是AE 42 60 82。

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PNG图像压缩：
??????? 了解了PNG的文件结构，压缩就有的放矢了。压缩有6个级别，可以根据需要选择。
Level1：读取PNG文件，将除六大块之外的所有区块都过滤掉
Level2：文件头是固定的0x89504e47 0x0d0a1a0a，文件尾是固定的0x00000000 0x49454e44 0xae426082，去掉！
Level3：每个区块的Chunk Type我们是否需要呢？很明显，我们自己写的压缩格式自己应该清楚是按照什么样的顺序，去掉！
Level4：每个区块的Chunk Length我们是否需要呢？
?????????? IHDR块：定长13个字节，明显不需要，去掉。
?????????? PLTE块：最多128个颜色，为撒要用4byte来记录区块长度而不是用1byte来记录颜色数呢？
?????????? tRNS块：既然有颜色数，tRNS又是调色盘颜色表的对应表，既数量与颜色数相同，为撒还需要呢？
?????????? IDAT块：我想这个是唯一需要4byte来记录长度的区块。
Level5：每个区块的Chunk CRC是否需要呢？
?????????? 因为计算CRC需要一些时间，但对于字节较少的区块一般可以忽略不计，所以对于这个问题还是由程序员自己决定吧。对于CRC的计算可以参看CoCoMo的另一篇Blog“PNG文件的CRC码计算”
Level6：每个区块我们是否要原封不动的保存期数据呢？
????????? IHDR块：除了宽、高、色深是需要的，后面那4byte的信息是固定的0x03000000
????????? PLTE块：为撒要用3byte来表示RGB而不是2byte的565格式？压缩方法可以参看CoCoMo的另一篇Blog“关于PNG图像压缩的一点感悟”
????????? tRNS块：我想tRNS块是冗余最多的区块了吧，大段大段的0xFF明显没有必要，一般的PNG文件只有一个透明色，为撒要用对应表的方法而不是一个索 引来记录到底哪个是透明色呢？由于颜色数最多128，所以只需1byte就可以代替tRNS那么多0xFF啦。
????????? IDAT块：么想法，如果你够变态，把zlib加进来吧！

PNG图像解压：
????????创建了自定义的文件，J2ME端读取后，就面临解压的问题了。我们可以利用此函数来创建Image：
static?Image
createImage(byte[]?imageData, int?imageOffset, int?imageLength)
???? 前提是传入的imageData与PNG未被压缩前的一致。因为PNG文件格式是固定的，所以读取自定义的压缩文件后，开始将那些默认的数据再添加进去，实现解压的目的。下面就开始解压之旅吧!
首先要创建一个ByteArrayOutputStream out，

1.写入文件头：
out.writeInt(0x89504e47);
out.writeInt(0x0d0a1a0a);

2.写入IHDR块
out.writeInt(13);
out.writeInt(0x49484452);? //0x49484452为Chunk Type "IHDR"
out.writeInt(width);
out.writeInt(height);
out.writeByte(depth);
out.writeInt(0x03000000);? //压缩时舍掉的4byte，默认0x03000000
out.writeInt(crc);
其他区块方法一致，故略过。。。

3.写入文件尾
out.writeInt(0x00000000);
out.writeInt(0x49454e44);
out.writeInt(0xae426082);

4.转换成数组，创建Image
byte[] pngBuffer = out.toByteArray();
Image image = Image.createImage(pngBuffer, 0, pngBuffer.length);

哈哈，大功告成。这里注意如果中途数据写入有错误，经常会出现创建Image失败的异常，而且非常不好调试，不过只要自定的压缩格式定下来后，对应的创建Image的函数只要写一次，以后基本不会出问题哈。

PNG图像加解密：
??????? 很多人都担心自己辛苦创作的漂亮的美术图片很easy就被别人拿到了，究其原因是由于PNG文件格式是固定的，稍微了解的人用UltraEdit很容易就 能找到IHDR，PLTE等标识了。CoCoMo就经常看GameLoft的图像文件，哈哈。一般是2byte的Length，然后紧接着图片数据，都放 在一个文件里，直接拷贝2进制然后粘贴到一个新文件里就是一幅图。后来的加密技术会把PNG分块，例如前100个字节一块，紧接着1K一块，最后剩余字节 一块，然后把块顺序打乱，用2byte来记录总长度，1byte记录顺序，但是这并没有从根本上消除IHDR，IEND这些显眼的定位标识，好像在对破解 者说：嘿，看，我就在这里！
?????? 现在了解了之前的压缩和解压技术，这个问题也就迎刃而解了，因为Chunk Length，Chunk Type和Chunk CRC这些东西都消失了，甚至连数据块本身的数据都修改了，我可以按照ImageWidth、ImageHeight、ImageDepth的顺序写数 据，也可以倒过来写。我想再牛的PNG分析器也是无能为力的吧，唯一可以定位的就只有IDAT区块了，不过就算得到该区块的数据，也应该是一张黑白图。

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附录

为了方便大家观看，我们将图像放大：

使用UltraEdit32打开该文件，如下：
00000000~00000007：

可以看到，选中的头8个字节即为PNG文件的标识。

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接下来的地方就是IHDR数据块了：

00000008~00000020：

00 00 00 0D 说明IHDR头块长为1349 48 44 52 IHDR标识00 00 00 08 图像的宽，8像素00 00 00 08 图像的高，8像素04 色深，2^4=16，即这是一个16色的图像（也有可能颜色数不超过16，当然，如果颜色数不超过8，用03表示更合适）03 颜色类型，索引图像00 PNG Spec规定此处总为0（非0值为将来使用更好的压缩方法预留），表示使压缩方法(LZ77派生算法)00 同上00 非隔行扫描 36 21 A3 B8 CRC校验

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00000021~0000002F：

可选数据块sBIT，颜色采样率，RGB都是256（2^8=256）

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00000030~00000062：

这里是调色板信息

00 00 00 27 说明调色板数据长为39字节，既13个颜色数50 4C 54 45 PLTE标识FF FF 00 颜色0FF ED 00 颜色1…… ……09 00 B2 最后一个颜色，125F F5 BB DD CRC校验

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00000063~000000C5：

这部分包含了pHYs、tExt两种类型的数据块共3块，由于并不太重要，因此也不再详细描述了。

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000000C0~000000F8：

以上选中部分是IDAT数据块

00 00 00 27 数据长为39字节49 44 41 54 IDAT标识78 9C…… 压缩的数据，LZ77派生压缩方—A 12 06 A5 CRC校验

IDAT中压缩数据部分在后面会有详细的介绍。

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000000F9~00000104：

IEND数据块，这部分正如上所说，通常都应该是 00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82

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至此，我们已经能够从一个PNG文件中识别出各个数据块了。由于PNG中规定除关键数据块外，其它的辅助数据块都为可选部分，因此，有了这个标准后，我们可以通过删除所有的辅助数据块来减少PNG文件的大小。（当然，需要注意的是，PNG格式可以保存图像中的层、文字等信息，一旦删除了这些辅助数据块后，图像将失去原来的可编辑性。）

删除了辅助数据块后的PNG文件，现在文件大小为147字节，原文件大小为261字节，文件大小减少后，并不影响图像的内容。

其实，我们可以通过改变调色板的色值来完成一些又趣的事情，比如说实现云彩/水波的流动效果，实现图像的淡入淡出效果等等，在此，给出一个链接给大家看也许更直接：http://blog.csdn.net/flyingghost/archive/2005/01/13/251110.aspx ，我写此文也就是受此文的启发的。

如上说过，IDAT数据块是使用了LZ77压缩算法生成的，由于受限于手机处理器的能力，因此，如果我们在生成IDAT数据块时仍然使用LZ77压缩算法，将会使效率大打折扣，因此，为了效率，只能使用无压缩的LZ77算法，关于LZ77算法的具体实现，此文不打算深究，如果你对LZ77算法的JAVA实现有兴趣，可以参考以下两个站点：

http://jazzlib.sourceforge.net/ http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

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(调色板对照图)

至此，我们已经能够采用最快的时间将数组转换为PNG图片了

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参考资料：

PNG文件格式白皮书：http://www.w3.org/TR/REC-png.html
为数不多的中文PNG格式说明：http://dev.gameres.com/Program/Visual/Other/PNGFormat.htm
RFC-1950(ZLIB Compressed Data Format Specification)：ftp://ds.internic.net/rfc/rfc1950.txt
RFC-1950(DEFLATE Compressed Data Format Specification)：ftp://ds.internic.net/rfc/rfc1951.txt
LZ77算法的JAVA实现：http://jazzlib.sourceforge.net/
LZ77算法的JAVA实现，包括J2ME版本：http://www.jcraft.com/jzlib/index.html

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