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PNG数据分析

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png图片的压缩与解压缩

在J2ME平台上PNG图片格式几乎成为了标准,无数台手持设备上运行的J2ME程序几乎都选用PNG来显示图像,包括大量的手机游戏以及手机应用,所以对PNG文件格式的了解,可以更有效的减少Jar Size,保护自有知识产权。
       

PNG文件格式:
        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。
       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.文件头
2.IHDR块
3.PLTE块
4.tRNS块
5.IDAT块
6.文件尾

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。

数据块:
除了文件头,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"

文件头:
用来标示PNG文件,为固定的64个字节:0x89504e47 0x0d0a1a0a

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。

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

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。
      

文章出处:http://www.sf.org.cn/j2me/base/20428.html

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