前言
PNG是20世紀90年代中期開始開發的圖像文件存儲格式，其目的是企圖替代GIF和TIFF文件格式，同時增加一些GIF文件格式所不具備的特性。流式網絡圖形格式(Portable Network Graphic Format，PNG)名稱來源于非官方的“PNG's Not GIF”，是一種位圖文件(bitmap file)存儲格式，讀成“ping”。PNG用來存儲灰度圖像時，灰度圖像的深度可多到16位，存儲彩色圖像時，彩色圖像的深度可多到48位，并且還可存儲多到16位的α通道數據。PNG使用從LZ77派生的無損數據壓縮算法。
PNG數據塊（Chunk）
PNG定義了兩種類型的數據塊，一種是稱為關鍵數據塊(critical chunk)，這是標準的數據塊，另一種叫做輔助數據塊(ancillary chunks)，這是可選的數據塊。關鍵數據塊定義了4個標準數據塊，每個PNG文件都必須包含它們，PNG讀寫軟件也都必須要支持這些數據塊。雖然PNG文件規范沒有要求PNG編譯碼器對可選數據塊進行編碼和譯碼，但規范提倡支持可選數據塊。
下表就是PNG中數據塊的類別，其中，關鍵數據塊部分我們使用深色背景加以區分。
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PNG文件格式中的數據塊
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數據塊符號
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數據塊名稱
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多數據塊
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可選否
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位置限制
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| IHDR |
文件頭數據塊 |
否 |
否 |
第一塊 |
| cHRM |
基色和白色點數據塊 |
否 |
是 |
在PLTE和IDAT之前 |
| gAMA |
圖像γ數據塊 |
否 |
是 |
在PLTE和IDAT之前 |
| sBIT |
樣本有效位數據塊 |
否 |
是 |
在PLTE和IDAT之前 |
| PLTE |
調色板數據塊 |
否 |
是 |
在IDAT之前 |
| bKGD |
背景顏色數據塊 |
否 |
是 |
在PLTE之后IDAT之前 |
| hIST |
圖像直方圖數據塊 |
否 |
是 |
在PLTE之后IDAT之前 |
| tRNS |
圖像透明數據塊 |
否 |
是 |
在PLTE之后IDAT之前 |
| oFFs |
(專用公共數據塊) |
否 |
是 |
在IDAT之前 |
| pHYs |
物理像素尺寸數據塊 |
否 |
是 |
在IDAT之前 |
| sCAL |
(專用公共數據塊) |
否 |
是 |
在IDAT之前 |
| IDAT |
圖像數據塊 |
是 |
否 |
與其他IDAT連續 |
| tIME |
圖像最后修改時間數據塊 |
否 |
是 |
無限制 |
| tEXt |
文本信息數據塊 |
是 |
是 |
無限制 |
| zTXt |
壓縮文本數據塊 |
是 |
是 |
無限制 |
| fRAc |
(專用公共數據塊) |
是 |
是 |
無限制 |
| gIFg |
(專用公共數據塊) |
是 |
是 |
無限制 |
| gIFt |
(專用公共數據塊) |
是 |
是 |
無限制 |
| gIFx |
(專用公共數據塊) |
是 |
是 |
無限制 |
| IEND |
圖像結束數據 |
否 |
否 |
最后一個數據塊 |
為了簡單起見，我們假設在我們使用的PNG文件中，這4個數據塊按以上先后順序進行存儲，并且都只出現一次。
數據塊結構
PNG文件中，每個數據塊由4個部分組成，如下：
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名稱
|
字節數
|
說明
|
| Length (長度) |
4字節 |
指定數據塊中數據域的長度，其長度不超過(231－1)字節 |
| Chunk Type Code (數據塊類型碼) |
4字節 |
數據塊類型碼由ASCII字母(A-Z和a-z)組成 |
| Chunk Data (數據塊數據) |
可變長度 |
存儲按照Chunk Type Code指定的數據 |
| CRC (循環冗余檢測) |
4字節 |
存儲用來檢測是否有錯誤的循環冗余碼 |
CRC(cyclic redundancy check)域中的值是對Chunk Type Code域和Chunk Data域中的數據進行計算得到的。CRC具體算法定義在ISO 3309和ITU-T V.42中，其值按下面的CRC碼生成多項式進行計算：
x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
下面，我們依次來了解一下各個關鍵數據塊的結構吧。
IHDR
文件頭數據塊IHDR(header chunk)：它包含有PNG文件中存儲的圖像數據的基本信息，并要作為第一個數據塊出現在PNG數據流中，而且一個PNG數據流中只能有一個文件頭數據塊。
文件頭數據塊由13字節組成，它的格式如下表所示。
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域的名稱
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字節數
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說明
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| Width |
4 bytes |
圖像寬度，以像素為單位 |
| Height |
4 bytes |
圖像高度，以像素為單位 |
| Bit depth |
1 byte |
圖像深度：
索引彩色圖像：1，2，4或8
灰度圖像：1，2，4，8或16
真彩色圖像：8或16 |
| ColorType |
1 byte |
顏色類型：
0：灰度圖像, 1，2，4，8或16
2：真彩色圖像，8或16
3：索引彩色圖像，1，2，4或8
4：帶α通道數據的灰度圖像，8或16
6：帶α通道數據的真彩色圖像，8或16 |
| Compression method |
1 byte |
壓縮方法(LZ77派生算法) |
| Filter method |
1 byte |
濾波器方法 |
| Interlace method |
1 byte |
隔行掃描方法：
0：非隔行掃描
1： Adam7(由Adam M. Costello開發的7遍隔行掃描方法) |
由于我們研究的是手機上的PNG，因此，首先我們看看MIDP1.0對所使用PNG圖片的要求吧：
- 在MIDP1.0中，我們只可以使用1.0版本的PNG圖片。并且，所以的PNG關鍵數據塊都有特別要求：
IHDR
- 文件大小：MIDP支持任意大小的PNG圖片，然而，實際上，如果一個圖片過大，會由于內存耗盡而無法讀取。
- 顏色類型：所有顏色類型都有被支持，雖然這些顏色的顯示依賴于實際設備的顯示能力。同時，MIDP也能支持alpha通道，但是，所有的alpha通道信息都會被忽略并且當作不透明的顏色對待。
- 色深：所有的色深都能被支持。
- 壓縮方法：僅支持壓縮方式0（deflate壓縮方式），這和jar文件的壓縮方式完全相同，所以，PNG圖片數據的解壓和jar文件的解壓可以使用相同的代碼。（其實這也就是為什么J2ME能很好的支持PNG圖像的原因：））
- 濾波器方法：盡管在PNG的白皮書中僅定義了方法0，然而所有的5種方法都被支持！
- 隔行掃描：雖然MIDP支持0、1兩種方式，然而，當使用隔行掃描時，MIDP卻不會真正的使用隔行掃描方式來顯示。
- PLTE chunk：支持
- IDAT chunk：圖像信息必須使用5種過濾方式中的方式0 (None, Sub, Up, Average, Paeth)
- IEND chunk：當IEND數據塊被找到時，這個PNG圖像才認為是合法的PNG圖像。
- 可選數據塊：MIDP可以支持下列輔助數據塊，然而，這卻不是必須的。
bKGD cHRM gAMA hIST iCCP iTXt pHYs
sBIT sPLT sRGB tEXt tIME tRNS zTXt
關于更多的信息，可以參考http://www.w3.org/TR/REC-png.html
PLTE
調色板數據塊PLTE(palette chunk)包含有與索引彩色圖像(indexed-color image)相關的彩色變換數據，它僅與索引彩色圖像有關，而且要放在圖像數據塊(image data chunk)之前。
PLTE數據塊是定義圖像的調色板信息，PLTE可以包含1~256個調色板信息，每一個調色板信息由3個字節組成：
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顏色
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字節
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意義
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Red
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1 byte
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0 = 黑色, 255 = 紅
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Green
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1 byte
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0 = 黑色, 255 = 綠色
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Blue
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1 byte
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0 = 黑色, 255 = 藍色
|
因此，調色板的長度應該是3的倍數，否則，這將是一個非法的調色板。
對于索引圖像，調色板信息是必須的，調色板的顏色索引從0開始編號，然后是1、2……，調色板的顏色數不能超過色深中規定的顏色數（如圖像色深為4的時候，調色板中的顏色數不可以超過2^4=16），否則，這將導致PNG圖像不合法。
真彩色圖像和帶α通道數據的真彩色圖像也可以有調色板數據塊，目的是便于非真彩色顯示程序用它來量化圖像數據，從而顯示該圖像。
IDAT
圖像數據塊IDAT(image data chunk)：它存儲實際的數據，在數據流中可包含多個連續順序的圖像數據塊。
IDAT存放著圖像真正的數據信息，因此，如果能夠了解IDAT的結構，我們就可以很方便的生成PNG圖像。
IEND
圖像結束數據IEND(image trailer chunk)：它用來標記PNG文件或者數據流已經結束，并且必須要放在文件的尾部。
如果我們仔細觀察PNG文件，我們會發現，文件的結尾12個字符看起來總應該是這樣的：
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
不難明白，由于數據塊結構的定義，IEND數據塊的長度總是0（00 00 00 00，除非人為加入信息），數據標識總是IEND（49 45 4E 44），因此，CRC碼也總是AE 42 60 82。
實例研究PNG
以下是由Fireworks生成的一幅圖像，圖像大小為8*8，為了方便大家觀看，我們將圖像放大：
使用UltraEdit32打開該文件，如下：
00000000~00000007：
可以看到，選中的頭8個字節即為PNG文件的標識。
接下來的地方就是IHDR數據塊了：
00000008~00000020：
- 00 00 00 0D 說明IHDR頭塊長為13
- 49 48 44 52 IHDR標識
- 00 00 00 08 圖像的寬，8像素
- 00 00 00 08 圖像的高，8像素
- 04 色深，2^4=16，即這是一個16色的圖像（也有可能顏色數不超過16，當然，如果顏色數不超過8，用03表示更合適）
- 03 顏色類型，索引圖像
- 00 PNG Spec規定此處總為0（非0值為將來使用更好的壓縮方法預留），表示使壓縮方法(LZ77派生算法)
- 00 同上
- 00 非隔行掃描
- 36 21 A3 B8 CRC校驗
00000021~0000002F：
可選數據塊sBIT，顏色采樣率，RGB都是256（2^8=256）
00000030~00000062：
這里是調色板信息
- 00 00 00 27 說明調色板數據長為39字節，既13個顏色數
- 50 4C 54 45 PLTE標識
- FF FF 00 顏色0
- FF ED 00 顏色1
- …… ……
- 09 00 B2 最后一個顏色，12
- 5F F5 BB DD CRC校驗
00000063~000000C5：
這部分包含了pHYs、tExt兩種類型的數據塊共3塊，由于并不太重要，因此也不再詳細描述了。
000000C0~000000F8：
以上選中部分是IDAT數據塊
- 00 00 00 27 數據長為39字節
- 49 44 41 54 IDAT標識
- 78 9C…… 壓縮的數據，LZ77派生壓縮方法
- DA 12 06 A5 CRC校驗
IDAT中壓縮數據部分在后面會有詳細的介紹。
000000F9~00000104：
IEND數據塊，這部分正如上所說，通常都應該是
00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82
至此，我們已經能夠從一個PNG文件中識別出各個數據塊了。由于PNG中規定除關鍵數據塊外，其它的輔助數據塊都為可選部分，因此，有了這個標準后，我們可以通過刪除所有的輔助數據塊來減少PNG文件的大小。（當然，需要注意的是，PNG格式可以保存圖像中的層、文字等信息，一旦刪除了這些輔助數據塊后，圖像將失去原來的可編輯性。）
刪除了輔助數據塊后的PNG文件，現在文件大小為147字節，原文件大小為261字節，文件大小減少后，并不影響圖像的內容。
如上說過，IDAT數據塊是使用了LZ77壓縮算法生成的，由于受限于手機處理器的能力，因此，如果我們在生成IDAT數據塊時仍然使用LZ77壓縮算法，將會使效率大打折扣，因此，為了效率，只能使用無壓縮的LZ77算法，關于LZ77算法的具體實現，此文不打算深究，如果你對LZ77算法的JAVA實現有興趣，可以參考以下兩個站點：
參考資料：
PNG文件格式白皮書：http://www.w3.org/TR/REC-png.html
為數不多的中文PNG格式說明：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實現：http://jazzlib.sourceforge.net/
LZ77算法的JAVA實現，包括J2ME版本：http://www.jcraft.com/jzlib/index.html