Czym jest plik PNG?
Plik PNG (Portable Network Graphics) to format pliku obrazu rastrowego wykorzystujący bezstratną kompresję. Ten format pliku został utworzony jako zamiennik formatu Graphics Interchange Format (GIF) i nie ma ograniczeń dotyczących praw autorskich. Jednak format pliku PNG nie obsługuje animacji. Format pliku PNG obsługuje bezstratną kompresję obrazu, co czyni go popularnym wśród użytkowników. Z biegiem czasu PNG ewoluował jako jeden z powszechnie używanych formatów plików graficznych.
Krótka historia formatu pliku PNG
Głównym powodem powstania formatu plików PNG był opatentowany algorytm kompresji Lempel-Ziv-Welch, zastosowany w formacie pliku GIF. To wraz z innymi ograniczeniami GIF stworzyło potrzebę zastąpienia formatu pliku GIF. Pierwsza propozycja i nazwa formatu plików PNG pojawiła się w styczniu 1995 roku. Poniżej wymieniono najważniejsze wydarzenia dotyczące formatów plików PNG:
- Październik 1996: Wersja 1.0 specyfikacji PNG została wydana, a później pojawiła się jako RFC 2083. To samo stało się rekomendacją W3C w październiku 1996.
- Grudzień 1998: Wydano wersję 1.1 z niewielkimi zmianami i trzema nowymi fragmentami.
- Sierpień 1999: Wydano wersję 1.2, dodającą jeden dodatkowy fragment.
- Listopad 2003: PNG stał się normą międzynarodową (ISO/IEC 15948:2003). Ta wersja PNG różni się tylko nieznacznie od wersji 1.2 i nie dodaje żadnych nowych porcji.
- Marzec 2004: ISO/IEC 15948:2004
Funkcjonalne porównanie GIF i PNG
Format pliku PNG został zaprojektowany tak, aby był prosty i przenośny, nieobciążony prawnie, wymienny, elastyczny i solidny. W poniższej tabeli wymieniono funkcje GIF, które oprócz nowych funkcji są dziedziczone przez format pliku PNG.
| Opis | GIF | PNG |
|---|---|---|
| Obrazy kolorów indeksowych do 256 kolorów | Tak | Tak |
| Obsługa przesyłania strumieniowego | Tak | Tak |
| Przezroczystość | Tak | Tak |
| Informacje dodatkowe | Tak | Tak |
| Niezależność sprzętu i platformy | Tak | Tak |
| Skuteczne | Tak | Tak |
| Obrazy Truecolor do 48 bitów na piksel | Nie | Tak |
| Obrazy w skali szarości do 16 bitów na piksel | Nie | Tak |
| Pełny kanał alfa (ogólne maski przezroczystości) | Nie | Tak |
| Informacje o gamma obrazu | Nie | Tak |
| Niezawodność | Nie | Tak |
| Szybsza wstępna prezentacja | Nie | Tak |
Struktura pliku PNG
Prawie wszystkie systemy operacyjne obsługują otwieranie plików PNG. Na przykład przeglądarka Microsoft Windows ma możliwość otwierania plików PNG, ponieważ system operacyjny ma domyślnie obsługę dostępną w ramach instalacji. Plik PNG składa się z podpisu PNG, po którym następuje seria //fragmentów//.
Nagłówek pliku PNG
Pierwsze osiem bajtów pliku PNG zawsze zawiera następujące wartości (dziesiętne):
{{{137 80 78 71 13 10 26 10 }}}
Ten podpis wskazuje, że pozostała część pliku zawiera pojedynczy obraz PNG, składający się z serii fragmentów rozpoczynających się fragmentem IHDR i kończących się fragmentem IEND.
Kawałki
Każdy fragment składa się z czterech części:
Długość: 4-bajtowa liczba całkowita bez znaku określająca liczbę bajtów w polu danych fragmentu. Długość liczy tylko pole danych, a nie samo, kod typu porcji lub CRC. Zero to prawidłowa długość. Chociaż kodery i dekodery powinny traktować długość jako unsigned, jej wartość nie może przekraczać 231 bajtów.
Typ fragmentu: 4-bajtowy kod typu fragmentu. Dla wygody w opisie i badaniu plików PNG kody typów są ograniczone do wielkich i małych liter ASCII (AZ i az lub 65-90 i 97-122 po przecinku). Jednak kodery i dekodery muszą traktować kody jako stałe wartości binarne, a nie ciągi znaków. Na przykład niewłaściwe byłoby reprezentowanie kodu typu IDAT za pomocą odpowiedników tych liter w EBCDIC. Dodatkowe konwencje nazewnictwa dla typów fragmentów omówiono w następnej sekcji.
Dane fragmentu: Bajty danych odpowiednie dla typu fragmentu, jeśli istnieje. To pole może mieć zerową długość.
CRC: 4-bajtowy CRC (Cyclic Redundancy Check) obliczany na podstawie poprzedzających bajtów w porcji, w tym kodu typu porcji i pól danych porcji, ale bez pola długości. CRC jest zawsze obecny, nawet w przypadku porcji niezawierających danych.
Długość danych porcji może wynosić maksymalnie dowolną liczbę bajtów; w związku z tym implementatorzy nie mogą zakładać, że fragmenty są wyrównane na jakichkolwiek granicach większych niż bajty.
Porcje mogą pojawiać się w dowolnej kolejności, z zastrzeżeniem ograniczeń nałożonych na każdy typ porcji. (Jednym z godnych uwagi ograniczeń jest to, że IHDR musi pojawić się jako pierwszy, a IEND jako ostatni; dlatego fragment IEND służy jako znacznik końca pliku.) Może pojawić się wiele fragmentów tego samego typu, ale tylko wtedy, gdy jest to wyraźnie dozwolone dla tego typu.
Typy kawałków
Typy fragmentów są podzielone na fragmenty krytyczne i pomocnicze na podstawie 4-bajtowej wartości ASCII z rozróżnianiem wielkości liter przypisanej do typu fragmentu. Wszystkie implementacje muszą rozumieć i pomyślnie renderować standardowe fragmenty krytyczne. Prawidłowy obraz PNG musi zawierać fragment IHDR, jeden lub więcej fragmentów IDAT oraz fragment IEND.
Kompresja
Metoda kompresji PNG 0 (jedyna obecnie zdefiniowana metoda kompresji dla PNG) określa kompresję zmniejszania/nadmuchiwania z przesuwanym oknem o maksymalnej długości 32768 bajtów. Kompresja Deflate jest pochodną LZ77 używaną w programach zip, gzip, pkzip i pokrewnych. Przeprowadzono szeroko zakrojone badania potwierdzające jego status bez patentu. Skompresowane dane w strumieniu danych zlib są przechowywane jako seria bloków, z których każdy może reprezentować surowe (nieskompresowane) dane, dane skompresowane LZ77 zakodowane za pomocą stałych kodów Huffmana lub dane skompresowane LZ77 zakodowane za pomocą niestandardowych kodów Huffmana. Bit znacznika w ostatnim bloku identyfikuje go jako ostatni blok, umożliwiając dekoderowi rozpoznanie końca skompresowanego strumienia danych.
Filtrowanie przed kompresją
Filtry wstępnej kompresji są stosowane w celu przygotowania danych obrazu do optymalnej kompresji. Metoda filtra PNG definiuje pięć podstawowych typów filtrów w następujący sposób:
| Typ filtra | Nazwa | Przewidywana wartość |
|---|---|---|
| 0 | Brak | Linia skanowania jest przesyłana niezmodyfikowana |
| 1 | Sub | Przesyła różnicę między każdym bajtem a wartością odpowiedniego bajtu poprzedniego piksela. |
| 2 | W górę | Filtr Up() jest taki sam jak filtr Sub() z tą różnicą, że piksel bezpośrednio nad bieżącym pikselem, a nie tylko po jego lewej stronie, jest używany jako predyktor. |
| 3 | Średnia | Filtr Average() wykorzystuje średnią z dwóch sąsiednich pikseli (lewego i górnego) do przewidywania wartości piksela. |
| 4 | Paeth | Filtr Paeth() oblicza prostą funkcję liniową trzech sąsiednich pikseli (lewy, górny, lewy górny), a następnie wybiera jako predyktor sąsiedni piksel najbliższy obliczonej wartości. |
Algorytmy filtrowania są stosowane do „bajtów”, a nie do pikseli, niezależnie od głębi bitowej lub typu koloru obrazu. Algorytmy filtrujące działają na sekwencji bajtów utworzonej przez linię skanowania. Jeśli obraz zawiera kanał alfa, dane alfa są filtrowane w taki sam sposób jak dane obrazu.
Kiedy obraz jest z przeplotem, każde przejście wzoru z przeplotem jest traktowane jako niezależny obraz do celów filtrowania. Filtry działają na sekwencjach bajtów utworzonych przez piksele faktycznie przesłane podczas przejścia, a „poprzednia linia skanowania” to ta, która została przesłana wcześniej w tym samym przebiegu, a nie ta sąsiednia w całym obrazie. Należy zauważyć, że podobraz przesyłany w jednym przejściu jest zawsze prostokątny, ale ma mniejszą szerokość i/lub wysokość niż pełny obraz. Filtrowanie nie jest stosowane, gdy ten obraz podrzędny jest pusty.
