PNG fájlformátum - raszteres képfájl
Mi az a PNG fájl?
A PNG (Portable Network Graphics) fájl egy raszteres képfájl formátum, amely veszteségmentes tömörítést használ. Ezt a fájlformátumot a Graphics Interchange Format (GIF) helyettesítésére hozták létre, és nincs szerzői jogi korlátozása. A PNG fájlformátum azonban nem támogatja az animációkat. A PNG fájlformátum támogatja a veszteségmentes képtömörítést, amely népszerűvé teszi a felhasználók körében. Az idő múlásával a PNG az egyik széles körben használt képfájlformátummá fejlődött.
A PNG fájlformátum rövid története
A PNG fájlformátum létrehozásának fő oka a szabadalmaztatott tömörítési algoritmus, a Lempel-Ziv-Welch volt, amelyet a GIF fájlformátumban használtak. Ez az egyéb GIF-korlátozásokkal együtt szükségessé tette a GIF fájlformátum cseréjét. Az első javaslat és név a PNG fájlformátumra 1995 januárjában érkezett. A PNG fájlformátumokkal kapcsolatos legfontosabb események az alábbiakban találhatók:
- október: Kiadták a PNG specifikációk 1.0-s verzióját, amely később RFC 2083 néven jelent meg. 1996 októberében ugyanez a W3C ajánlás lett.
- december: Megjelent az 1.1-es verzió, néhány apró változtatással és három új darab hozzáadásával.
- augusztus: Kiadták az 1.2-es verziót, egy plusz darabbal.
- november: A PNG nemzetközi szabvány lett (ISO/IEC 15948:2003). A PNG ezen verziója csak kis mértékben tér el az 1.2-es verziótól, és nem ad hozzá új darabokat.
- március: ISO/IEC 15948:2004
A GIF és a PNG funkcionális összehasonlítása
A PNG fájlformátumot egyszerűnek és hordozhatónak, jogilag tehermentesnek, cserélhetőnek, rugalmasnak és robusztusnak tervezték. Az alábbi táblázat felsorolja azokat a GIF-szolgáltatásokat, amelyeket az új szolgáltatások mellett a PNG-fájlformátum örökölt.
| Funkció | GIF | PNG |
|---|---|---|
| Indexszínes képek akár 256 színben | Igen | Igen |
| A streaming támogatása | Igen | Igen |
| Átláthatóság | Igen | Igen |
| Kiegészítő információ | Igen | Igen |
| Hardver- és platformfüggetlenség | Igen | Igen |
| Hatásos | Igen | Igen |
| Truecolor képek legfeljebb 48 bit/pixel | Nem | Igen |
| Maximum 16 bit/pixel szürkeárnyalatos képek | Nem | Igen |
| Teljes alfa-csatorna (általános átlátszósági maszkok) | Nem | Igen |
| Kép gammainformációi | Nem | Igen |
| Megbízhatóság | Nem | Igen |
| Gyorsabb kezdeti prezentáció | Nem | Igen |
PNG fájl szerkezet
Szinte minden operációs rendszer támogatja a PNG fájlok megnyitását. Például a Microsoft Windows Viewer képes PNG-fájlok megnyitására, mivel az operációs rendszer alapértelmezés szerint rendelkezik a telepítés részeként elérhető támogatással. A PNG-fájl egy PNG “aláírásból” áll, amelyet egy //chunks// sorozat követ.
PNG fájl fejléc
A PNG-fájl első nyolc bájtja mindig a következő (tizedes) értékeket tartalmazza:
{{{137 80 78 71 13 10 26 10 }}}
Ez az aláírás azt jelzi, hogy a fájl többi része egyetlen PNG-képet tartalmaz, amely egy IHDR-darabbal kezdődő és egy IEND-darabbal végződő darabokból áll.
Darabok
Minden darab négy részből áll:
Hossz: 4 bájtos előjel nélküli egész szám, amely megadja a bájtok számát a csonk adatmezőjében. A hossz csak az adatmezőt számolja, önmagát, a darabtípus kódját vagy a CRC-t nem. A nulla érvényes hosszúság. Bár a kódolóknak és dekódolóknak a hosszt előjel nélküliként kell kezelniük, értéke nem haladhatja meg a 231 bájtot.
Csonk típusa: 4 bájtos darab típuskód. A leírás és a PNG-fájlok vizsgálatának megkönnyítése érdekében a típuskódok csak nagy- és kisbetűket tartalmazhatnak ASCII-betűket (AZ és az, vagy 65-90 és 97-122 tizedesjegy). A kódolóknak és dekódolóknak azonban a kódokat rögzített bináris értékként kell kezelniük, nem karakterláncként. Például nem lenne helyes az IDAT típuskódot a betűk EBCDIC megfelelőivel ábrázolni. A darabtípusok további elnevezési konvencióit a következő szakasz tárgyalja.
Chunk Data: A csonk típusának megfelelő adatbájtok, ha vannak ilyenek. Ez a mező nulla hosszúságú lehet.
CRC: Egy 4 bájtos CRC (Cyclic Redundancy Check) a csonk előző bájtjaira számítva, beleértve a darab típuskódját és a csonk adatmezőit, de nem tartalmazza a hosszmezőt. A CRC mindig jelen van, még az adatokat nem tartalmazó daraboknál is.
A csonk adathossza tetszőleges számú bájt lehet a maximumig; ezért az implementátorok nem feltételezhetik, hogy a darabok a bájtoknál nagyobb határokon vannak igazítva.
A darabok bármilyen sorrendben megjelenhetnek, az egyes darabtípusokra vonatkozó korlátozások függvényében. (Egy figyelemreméltó megkötés, hogy az IHDR-nek először, az IEND-nek pedig utoljára kell megjelennie; így az IEND-csonk a fájlvégi jelölőként szolgál.) Több azonos típusú darab is megjelenhet, de csak akkor, ha az adott típushoz kifejezetten engedélyezett.
Részlettípusok
A csonktípusok kritikus és kiegészítő csonkokba vannak sorolva a Csonktípushoz rendelt 4 bájtos kis- és nagybetűk közötti ASCII-érték alapján. Minden megvalósításnak meg kell értenie és sikeresen elő kell írnia a szabványos kritikus darabokat. Az érvényes PNG-képnek tartalmaznia kell egy IHDR-darabot, egy vagy több IDAT-darabot és egy IEND-darabot.
Tömörítés
A 0-s PNG-tömörítési módszer (az egyetlen tömörítési módszer, amelyet jelenleg PNG-hez definiáltak) a deflate/felfújó tömörítést határozza meg, legfeljebb 32768 bájtos csúszóablakkal. A deflate tömörítés egy LZ77 származék, amelyet zip, gzip, pkzip és kapcsolódó programokban használnak. Széleskörű kutatásokat végeztek szabadalommentes státuszának alátámasztására. A zlib adatfolyamon belüli tömörített adatok blokkok sorozataként vannak tárolva, amelyek mindegyike nyers (tömörítetlen) adatokat, rögzített Huffman-kódokkal kódolt LZ77-tömörített adatokat vagy egyéni Huffman-kódokkal kódolt LZ77-tömörített adatokat jelenthet. Az utolsó blokkban található jelölőbit az utolsó blokkként azonosítja, lehetővé téve a dekódoló számára, hogy felismerje a tömörített adatfolyam végét.
Tömörítés előtti szűrés
Előtömörítési szűrőket alkalmaznak a képadatok optimális tömörítésre való előkészítésére. A PNG szűrőmódszer öt alapvető szűrőtípust határoz meg a következők szerint:
| Szűrő típusa | Név | Becsült érték |
|---|---|---|
| 0 | Nincs | A pásztázási vonal módosítás nélkül kerül továbbításra |
| 1 | Sub | Az egyes bájtok különbségét és az előző képpont megfelelő bájtjának értékét továbbítja. |
| 2 | Felfelé | A Fel() szűrő pont olyan, mint a Sub() szűrő, azzal a különbséggel, hogy a közvetlenül az aktuális pixel feletti képpont, nem pedig csak attól balra van prediktorként. |
| 3 | Átlagos | Az Átlag() szűrő a két szomszédos képpont (bal és felett) átlagát használja a pixel értékének előrejelzéséhez. |
| 4 | Paeth | A Paeth() szűrő a három szomszédos pixel egyszerű lineáris függvényét számítja ki (balra, fent, balra fent), majd a számított értékhez legközelebb eső szomszédos pixelt választja prediktornak. |
A szűrési algoritmusok a “bájtokra” vonatkoznak, nem a pixelekre, függetlenül a kép bitmélységétől vagy színtípusától. A szűrési algoritmusok a scanline által alkotott bájtsorozaton dolgoznak. Ha a kép alfa-csatornát tartalmaz, az alfa-adatokat ugyanúgy szűrjük, mint a képadatokat.
Amikor a kép soros soros, a soros soros minta minden egyes lépését a rendszer független képként kezeli szűrés céljából. A szűrők az áthaladás során ténylegesen továbbított pixelek által alkotott bájtsorozatokon dolgoznak, és az “előző pásztázási vonal” az ugyanabban a lépésben korábban továbbított, nem pedig a teljes képen szomszédos. Vegye figyelembe, hogy az egy lépésben továbbított részkép mindig téglalap alakú, de kisebb szélessége és/vagy magassága, mint a teljes kép. A szűrés nem kerül alkalmazásra, ha ez az alkép üres.