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音视频入门-12-手动生成一张PNG图片

  • 2019 年 10 月 30 日
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上一篇 【PNG文件格式详解】详细介绍了 PNG 文件的格式。

PNG 图像格式文件由一个 8 字节的 PNG 文件署名域和 3 个以上的后续数据块（IHDR、IDAT、IEND）组成。

PNG 文件包括 8 字节文件署名（89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，十六进制），用来识别 PNG 格式。

数据块中有 4 个关键数据块：

  • 文件头数据块 IHDR（header chunk）：包含有图像基本信息，作为第一个数据块出现并只出现一次。
  • 调色板数据块 PLTE（palette chunk）：必须放在图像数据块之前。
  • 图像数据块 IDAT（image data chunk）：存储实际图像数据。PNG 数据允许包含多个连续的图像数据块。
  • 图像结束数据 IEND（image trailer chunk）：放在文件尾部，表示 PNG 数据流结束。

数据块连起来，大概这个样子：

PNG 标识符 PNG 数据块(IHDR) PNG 数据块(其他类型数据块) … PNG 结尾数据块(IEND)

目标图：

彩虹条

生成真彩 PNG 图片

真彩 PNG 图片不需要 PLTE 调色板数据块，IDAT 数据块中存放的是图像的 RGB 数据。

分析 – 真彩 PNG IDAT 数据块

以 7X7 分辨率为例：

true-color-idat.png

代码 – 生成真彩 PNG IDAT 数据块

// 彩虹的七种颜色  uint32_t rainbowColors[] = {          0XFF0000, // 红          0XFFA500, // 橙          0XFFFF00, // 黄          0X00FF00, // 绿          0X007FFF, // 青          0X0000FF, // 蓝          0X8B00FF  // 紫  };  // 生成真彩 PNG 图片的图像数据块 IDAT  void genRGB24Data(uint8_t *rgbData, int width, int height) {        for (int i = 0; i < height; ++i) {          // 当前颜色          uint32_t currentColor = rainbowColors[0];          if(i < 100) {              currentColor = rainbowColors[0];          } else if(i < 200) {              currentColor = rainbowColors[1];          } else if(i < 300) {              currentColor = rainbowColors[2];          } else if(i < 400) {              currentColor = rainbowColors[3];          } else if(i < 500) {              currentColor = rainbowColors[4];          } else if(i < 600) {              currentColor = rainbowColors[5];          } else if(i < 700) {              currentColor = rainbowColors[6];          }          // 当前颜色 R 分量          uint8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;          // 当前颜色 G 分量          uint8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;          // 当前颜色 B 分量          uint8_t B = currentColor & 0x0000FF;            // 每个扫描行前第一个字节是过滤器类型          rgbData[3*(i*width)+i] = 0x00;            for (int j = 0; j < width; ++j) {              int currentIndex = 3*(i*width+j)+(i+1);              rgbData[currentIndex] = R;              rgbData[currentIndex+1] = G;              rgbData[currentIndex+2] = B;          }      }  }

生成真彩 PNG 完整代码

#include <stdio.h>  #include <stdint.h>  #include <stdlib.h>  #include <stdbool.h>  #include "zlib.h"    // ***** functions in util.c *****  bool isBigEndianOrder();  void genRGB24Data(uint8_t *rgbData, int width, int height);  uint32_t switchUint32(uint32_t i);  uint32_t calcCrc32(uint32_t dataASCII, uint8_t *data, uint32_t length);    typedef struct {      uint32_t width;      uint32_t height;      uint8_t bitDepth;      uint8_t colorType;      uint8_t compressionMethod;      uint8_t filterMethod;      uint8_t interlaceMethod;  } PNG_IHDR_DATA;    int main() {      // PNG 图片尺寸      int width = 700, height = 700;      // IDAT 中数据部分长度      uint32_t IDAT_RGB_DATA_LENGTH = width*height*3+height;        // PNG 文件包括 8 字节文件署名（89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，十六进制），用来识别 PNG 格式。      uint8_t PNG_FILE_SIGNATURE[] = {0x89, 0x50, 0x4E, 0x47, 0x0D, 0x0A, 0x1A, 0x0A};      // IHDR 每个字母对应的 ASCII      uint32_t IHDR_ASCII = switchUint32(0x49484452);      // IDAT 每个字母对应的ASCII      uint32_t IDAT_ASCII = switchUint32(0x49444154);      // PNG 文件的结尾 12 个字节看起来总应该是这样的：（00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82，十六进制）      uint8_t PNG_IEND_DATA[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x49, 0x45, 0x4E, 0x44, 0xAE, 0x42, 0x60, 0x82};        FILE *file = fopen("/Users/staff/Desktop/0-true-color.png", "wb");      // FILE *file = fopen("C:\Users\Administrator\Desktop\0-true-color.png", "wb+");      if (!file) {          printf("Could not write filen");          return -1;      }        // 真彩 PNG 图片 存储的是 RGB 数      uint8_t *rgb24Data = (uint8_t *)malloc(IDAT_RGB_DATA_LENGTH);      // 填充 IDAT 的 RGB 数据      genRGB24Data(rgb24Data, width, height);        // 写 PNG 文件署名      fwrite(PNG_FILE_SIGNATURE, 1, sizeof(PNG_FILE_SIGNATURE), file);        // 准备 IHDR 数据      PNG_IHDR_DATA pngIhdrData;      pngIhdrData.width = switchUint32(width);      pngIhdrData.height = switchUint32(height);      pngIhdrData.bitDepth = 8;      pngIhdrData.colorType = 2;// 2：真彩色图像，8或16    6：带α通道数据的真彩色图像，8或16      pngIhdrData.compressionMethod = 0;      pngIhdrData.filterMethod = 0;      pngIhdrData.interlaceMethod = 0;        // IHDR 数据长度      uint32_t IHDR_DATA_LENGTH = 13;      // IHDR 数据长度 转换成大端字节序      uint32_t pngIhdrDataSize = switchUint32(IHDR_DATA_LENGTH);      // 计算 IHDR CRC32      uint32_t ihdrDataCrc32 = calcCrc32(IHDR_ASCII, (uint8_t *) &pngIhdrData, IHDR_DATA_LENGTH);        // 写 IHDR 数据长度      fwrite(&pngIhdrDataSize, 1, sizeof(pngIhdrDataSize), file);      // 写 IHDR ASCII      fwrite(&IHDR_ASCII, 1, sizeof(IHDR_ASCII), file);      // 写 IHDR 数据      fwrite(&pngIhdrData, 1, IHDR_DATA_LENGTH, file);      // 写 IHDR CRC32      fwrite(&ihdrDataCrc32, 1, sizeof(ihdrDataCrc32), file);        // zlib 压缩数据      uint8_t buf[IDAT_RGB_DATA_LENGTH];      // 压缩后 buf 的数据长度 压缩完成后就是实际大小了      uint32_t buflen = IDAT_RGB_DATA_LENGTH;        // 执行 zlib 的压缩方法      compress(buf, (uLongf *) &buflen, rgb24Data, IDAT_RGB_DATA_LENGTH);      printf("n压缩前数据长度：%d n压缩后数据长度为:%d n", IDAT_RGB_DATA_LENGTH, buflen);        // 计算 IDAT CRC32      uint32_t idatDataCrc32 = calcCrc32(IDAT_ASCII, buf, buflen);      // IDAT 数据长度 转换成大端字节序      uint32_t tmpBuflen = switchUint32(buflen);        // 写 IDAT 数据长度      fwrite(&tmpBuflen, 1, sizeof(tmpBuflen), file);      // 写 IDAT ASCII      fwrite(&IDAT_ASCII, 1, sizeof(IDAT_ASCII), file);      // 写 IDAT 数据      fwrite(buf, 1, buflen, file);      // 写 IDAT CRC32      fwrite(&idatDataCrc32, 1, sizeof(idatDataCrc32), file);        // 写 IEND 信息      fwrite(PNG_IEND_DATA, 1, sizeof(PNG_IEND_DATA), file);        // 查看字节序      if(isBigEndianOrder()) {          printf("大端字节序");      } else {          printf("小端字节序");      }        // 收尾工作      fflush(file);      free(rgb24Data);      fclose(file);      return 0;  }

生成索引 PNG 图片

索引 PNG 图片必须有 PLTE 调色板数据块，IDAT 数据块中存放的是图像的 PLTE 调色板颜色索引数据。

分析 – 索引 PNG IDAT 数据块

以 7X7 分辨率为例：

indexed-color-idat.png

代码 – 生成索引 PNG PLTE 调色板

// 彩虹的七种颜色  uint32_t rainbowColors[] = {          0XFF0000, // 红          0XFFA500, // 橙          0XFFFF00, // 黄          0X00FF00, // 绿          0X007FFF, // 青          0X0000FF, // 蓝          0X8B00FF  // 紫  };    /**   * 生成索引 PNG 图片的调色板 PLTE   * @param rgbPLTEData   */  void genRGBPLTE(uint8_t *rgbPLTEData) {      for (int i = 0; i < 7; ++i) {          uint32_t currentColor = rainbowColors[i];          // 当前颜色 R 分量          uint8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;          // 当前颜色 G 分量          uint8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;          // 当前颜色 B 分量          uint8_t B = currentColor & 0x0000FF;            int currentIndex = 3*i;          rgbPLTEData[currentIndex] = R;          rgbPLTEData[currentIndex+1] = G;          rgbPLTEData[currentIndex+2] = B;      }  }

代码 – 生成索引 PNG IDAT 数据块

/**   * 生成索引 PNG 图片的图像数据块 IDAT   * @param rgbIndexData   * @param width   * @param height   */  void genRGBIndexData(uint8_t *rgbIndexData, int width, int height) {      for (int i = 0; i < height; ++i) {          uint8_t currentColorIndex = 0;          if(i < 100) {              currentColorIndex = 0;          } else if(i < 200) {              currentColorIndex = 1;          } else if(i < 300) {              currentColorIndex = 2;          } else if(i < 400) {              currentColorIndex = 3;          } else if(i < 500) {              currentColorIndex = 4;          } else if(i < 600) {              currentColorIndex = 5;          } else if(i < 700) {              currentColorIndex = 6;          }          // 每个扫描行前第一个字节是过滤器类型          rgbIndexData[(i*width)/2+i] = 0x00;          for (int j = 0; j < width; ++j) {              int currentIndex = (i*width+j)/2+(i+1);              int positionInByte = j%2;              if(positionInByte == 0) {                  rgbIndexData[currentIndex] = currentColorIndex << 4;              } else {                  rgbIndexData[currentIndex] += currentColorIndex;              }          }      }  }

生成索引 PNG 完整代码

#include <stdio.h>  #include <stdint.h>  #include <stdlib.h>  #include <stdbool.h>  #include "zlib.h"    // ***** functions in util.c *****  bool isBigEndianOrder();  void genRGBPLTE(uint8_t *rgbData);  void genRGBIndexData(uint8_t *rgbIndexData, int width, int height);  uint32_t switchUint32(uint32_t i);  uint32_t calcCrc32(uint32_t dataASCII, uint8_t *data, uint32_t length);    typedef struct {      uint32_t width;      uint32_t height;      uint8_t bitDepth;      uint8_t colorType;      uint8_t compressionMethod;      uint8_t filterMethod;      uint8_t interlaceMethod;  } PNG_IHDR_DATA;    int main() {      // PNG 图片尺寸      int width = 700, height = 700;      // IDAT 中数据部分长度      uint32_t IDAT_INDEX_DATA_LENGTH = width*height/2+height;        // PNG 文件包括 8 字节文件署名（89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，十六进制），用来识别 PNG 格式。      uint8_t PNG_FILE_SIGNATURE[] = {0x89, 0x50, 0x4E, 0x47, 0x0D, 0x0A, 0x1A, 0x0A};      // IHDR 每个字母对应的 ASCII      uint32_t IHDR_ASCII = switchUint32(0x49484452);      // PLTE 每个字母对应的ASCII      uint32_t PLTE_ASCII = switchUint32(0x504C5445);      // IDAT 每个字母对应的ASCII      uint32_t IDAT_ASCII = switchUint32(0x49444154);      // PNG 文件的结尾 12 个字节看起来总应该是这样的：（00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82，十六进制）      uint8_t PNG_IEND_DATA[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x49, 0x45, 0x4E, 0x44, 0xAE, 0x42, 0x60, 0x82};        FILE *file = fopen("/Users/staff/Desktop/0-indexed-color.png", "wb");      // FILE *file = fopen("C:\Users\Administrator\Desktop\0-indexed-color.png", "wb+");      if (!file) {          printf("Could not write filen");          return -1;      }        // 红橙黄绿青蓝紫-七种颜色的调色板  7 种颜色 * 每种颜色占 3 字节      uint8_t *rgbPLTEData = (uint8_t *)malloc(7*3);      // 索引 PNG 图片，IDAT 存储的是 PLTE 中的图片索引      uint8_t *rgbIndexData = (uint8_t *)malloc(IDAT_INDEX_DATA_LENGTH);        // 填充 红橙黄绿青蓝紫-七种颜色的调色板      genRGBPLTE(rgbPLTEData);      // 填充 IDAT 的 PLTE 索引      genRGBIndexData(rgbIndexData, width, height);        // 写 PNG 文件署名      fwrite(PNG_FILE_SIGNATURE, 1, sizeof(PNG_FILE_SIGNATURE), file);        // 准备 IHDR 数据      PNG_IHDR_DATA pngIhdrData;      pngIhdrData.width = switchUint32(width);      pngIhdrData.height = switchUint32(height);      pngIhdrData.bitDepth = 4;      pngIhdrData.colorType = 3; // 3：索引彩色图像，1，2，4或8      pngIhdrData.compressionMethod = 0;      pngIhdrData.filterMethod = 0;      pngIhdrData.interlaceMethod = 0;        // IHDR 数据长度      uint32_t IHDR_DATA_LENGTH = 13;      // IHDR 数据长度 转换成大端字节序      uint32_t pngIhdrDataSize = switchUint32(IHDR_DATA_LENGTH);      // 计算 IHDR CRC32      uint32_t ihdrDataCrc32 = calcCrc32(IHDR_ASCII, (uint8_t *) &pngIhdrData, IHDR_DATA_LENGTH);        // 写 IHDR 数据长度      fwrite(&pngIhdrDataSize, 1, sizeof(pngIhdrDataSize), file);      // 写 IHDR ASCII      fwrite(&IHDR_ASCII, 1, sizeof(IHDR_ASCII), file);      // 写 IHDR 数据      fwrite(&pngIhdrData, 1, IHDR_DATA_LENGTH, file);      // 写 IHDR CRC32      fwrite(&ihdrDataCrc32, 1, sizeof(ihdrDataCrc32), file);          // 准备 PLTE 调色板信息      // PLTE 数据长度      uint32_t PLTE_DATA_LENGTH = 21;      // PLTE 数据长度 转换成大端字节序      uint32_t pngPlteDataLength = switchUint32(PLTE_DATA_LENGTH);      // 计算 PLTE CRC32      uint32_t plteDataCrc32 = calcCrc32(PLTE_ASCII, rgbPLTEData, PLTE_DATA_LENGTH);        // 写 PLTE 数据长度      fwrite(&pngPlteDataLength, 1, sizeof(pngPlteDataLength), file);      // 写 PLTE ASCII      fwrite(&PLTE_ASCII, 1, sizeof(PLTE_ASCII), file);      // 写 PLTE 数据      fwrite(rgbPLTEData, 1, PLTE_DATA_LENGTH, file);      // 写 PLTE CRC32      fwrite(&plteDataCrc32, 1, sizeof(plteDataCrc32), file);        // zlib 压缩数据      // buf 用于存放压缩后的数据      uint8_t buf[IDAT_INDEX_DATA_LENGTH];      // 压缩后 buf 的数据长度 压缩完成后就是实际大小了      uint32_t buflen = IDAT_INDEX_DATA_LENGTH;        // 执行 zlib 的压缩方法      compress(buf, (uLongf *) &buflen, rgbIndexData, IDAT_INDEX_DATA_LENGTH);      printf("n压缩前数据长度：%d n压缩后数据长度为:%d n", IDAT_INDEX_DATA_LENGTH, buflen);        // 计算 IDAT CRC32      uint32_t idatDataCrc32 = calcCrc32(IDAT_ASCII, buf, buflen);      // IDAT 数据长度 转换成大端字节序      uint32_t tmpBuflen = switchUint32(buflen);        // 写 IDAT 数据长度      fwrite(&tmpBuflen, 1, sizeof(tmpBuflen), file);      // 写 IDAT ASCII      fwrite(&IDAT_ASCII, 1, sizeof(IDAT_ASCII), file);      // 写 IDAT 数据      fwrite(buf, 1, buflen, file);      // 写 IDAT CRC32      fwrite(&idatDataCrc32, 1, sizeof(idatDataCrc32), file);        // 写 IEND 信息      fwrite(PNG_IEND_DATA, 1, sizeof(PNG_IEND_DATA), file);        // 查看字节序      if(isBigEndianOrder()) {          printf("大端字节序");      } else {          printf("小端字节序");      }        // 收尾工作      fflush(file);      free(rgbPLTEData);      free(rgbIndexData);      fclose(file);      return 0;  }

总结 & 查看

生成真彩 PNG、索引 PNG 图片之间的区别：

  • IHDR 文件头数据块中的颜色类型，索引 PNG 颜色类型是 3：索引彩色图像，真彩 PNG 颜色类型是 2：真彩色图像。
  • PLTE 调色板数据块，索引 PNG 必须有调色板，真彩 PNG 不需要调色板。
  • IDAT 数据块存储的数据，索引 PNG 存储的是调色板颜色的索引，真彩 PNG 存储的是 RGB 数据。

来看一看纯手工打造的 PNG 图片：

generate-png-by-hand.jpg

Congratulations!

代码：
11-rgb-to-png

参考资料：

Portable Network Graphics (PNG) Specification and Extensions

gzip,deflate,zlib辨析

Zlib库的安装与使用

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