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PNG 圖像格式文件由一個 8 字節的 PNG 文件署名域和 3 個以上的後續數據塊（IHDR、IDAT、IEND）組成。

PNG 文件包括 8 字節文件署名（89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，十六進制），用來識別 PNG 格式。

數據塊中有 4 個關鍵數據塊：

文件頭數據塊 IHDR（header chunk）：包含有圖像基本信息，作爲第一個數據塊出現並只出現一次。
調色板數據塊 PLTE（palette chunk）：必須放在圖像數據塊之前。
圖像數據塊 IDAT（image data chunk）：存儲實際圖像數據。PNG 數據允許包含多個連續的圖像數據塊。
圖像結束數據 IEND（image trailer chunk）：放在文件尾部，表示 PNG 數據流結束。

數據塊連起來，大概這個樣子：

PNG 標識符	PNG 數據塊(IHDR)	PNG 數據塊(其他類型數據塊)	…	PNG 結尾數據塊(IEND)

目標圖：

生成真彩 PNG 圖片

真彩 PNG 圖片不需要 PLTE 調色板數據塊，IDAT 數據塊中存放的是圖像的 RGB 數據。

分析 - 真彩 PNG IDAT 數據塊

以 7X7 分辨率爲例：

代碼 - 生成真彩 PNG IDAT 數據塊

// 彩虹的七種顏色
uint32_t rainbowColors[] = {
        0XFF0000, // 紅
        0XFFA500, // 橙
        0XFFFF00, // 黃
        0X00FF00, // 綠
        0X007FFF, // 青
        0X0000FF, // 藍
        0X8B00FF  // 紫
};
// 生成真彩 PNG 圖片的圖像數據塊 IDAT
void genRGB24Data(uint8_t *rgbData, int width, int height) {

    for (int i = 0; i < height; ++i) {
        // 當前顏色
        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];
        }
        // 當前顏色 R 分量
        uint8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;
        // 當前顏色 G 分量
        uint8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;
        // 當前顏色 B 分量
        uint8_t B = currentColor & 0x0000FF;

        // 每個掃描行前第一個字節是過濾器類型
        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 完整代碼

#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 圖片尺寸
    int width = 700, height = 700;
    // IDAT 中數據部分長度
    uint32_t IDAT_RGB_DATA_LENGTH = width*height*3+height;

    // PNG 文件包括 8 字節文件署名（89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，十六進制），用來識別 PNG 格式。
    uint8_t PNG_FILE_SIGNATURE[] = {0x89, 0x50, 0x4E, 0x47, 0x0D, 0x0A, 0x1A, 0x0A};
    // IHDR 每個字母對應的 ASCII
    uint32_t IHDR_ASCII = switchUint32(0x49484452);
    // IDAT 每個字母對應的ASCII
    uint32_t IDAT_ASCII = switchUint32(0x49444154);
    // PNG 文件的結尾 12 個字節看起來總應該是這樣的：（00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82，十六進制）
    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 file\n");
        return -1;
    }

    // 真彩 PNG 圖片 存儲的是 RGB 數
    uint8_t *rgb24Data = (uint8_t *)malloc(IDAT_RGB_DATA_LENGTH);
    // 填充 IDAT 的 RGB 數據
    genRGB24Data(rgb24Data, width, height);

    // 寫 PNG 文件署名
    fwrite(PNG_FILE_SIGNATURE, 1, sizeof(PNG_FILE_SIGNATURE), file);

    // 準備 IHDR 數據
    PNG_IHDR_DATA pngIhdrData;
    pngIhdrData.width = switchUint32(width);
    pngIhdrData.height = switchUint32(height);
    pngIhdrData.bitDepth = 8;
    pngIhdrData.colorType = 2;// 2：真彩色圖像，8或16    6：帶α通道數據的真彩色圖像，8或16
    pngIhdrData.compressionMethod = 0;
    pngIhdrData.filterMethod = 0;
    pngIhdrData.interlaceMethod = 0;

    // IHDR 數據長度
    uint32_t IHDR_DATA_LENGTH = 13;
    // IHDR 數據長度 轉換成大端字節序
    uint32_t pngIhdrDataSize = switchUint32(IHDR_DATA_LENGTH);
    // 計算 IHDR CRC32
    uint32_t ihdrDataCrc32 = calcCrc32(IHDR_ASCII, (uint8_t *) &pngIhdrData, IHDR_DATA_LENGTH);

    // 寫 IHDR 數據長度
    fwrite(&pngIhdrDataSize, 1, sizeof(pngIhdrDataSize), file);
    // 寫 IHDR ASCII
    fwrite(&IHDR_ASCII, 1, sizeof(IHDR_ASCII), file);
    // 寫 IHDR 數據
    fwrite(&pngIhdrData, 1, IHDR_DATA_LENGTH, file);
    // 寫 IHDR CRC32
    fwrite(&ihdrDataCrc32, 1, sizeof(ihdrDataCrc32), file);

    // zlib 壓縮數據
    uint8_t buf[IDAT_RGB_DATA_LENGTH];
    // 壓縮後 buf 的數據長度 壓縮完成後就是實際大小了
    uint32_t buflen = IDAT_RGB_DATA_LENGTH;

    // 執行 zlib 的壓縮方法
    compress(buf, (uLongf *) &buflen, rgb24Data, IDAT_RGB_DATA_LENGTH);
    printf("\n壓縮前數據長度：%d \n壓縮後數據長度爲:%d \n", IDAT_RGB_DATA_LENGTH, buflen);

    // 計算 IDAT CRC32
    uint32_t idatDataCrc32 = calcCrc32(IDAT_ASCII, buf, buflen);
    // IDAT 數據長度 轉換成大端字節序
    uint32_t tmpBuflen = switchUint32(buflen);

    // 寫 IDAT 數據長度
    fwrite(&tmpBuflen, 1, sizeof(tmpBuflen), file);
    // 寫 IDAT ASCII
    fwrite(&IDAT_ASCII, 1, sizeof(IDAT_ASCII), file);
    // 寫 IDAT 數據
    fwrite(buf, 1, buflen, file);
    // 寫 IDAT CRC32
    fwrite(&idatDataCrc32, 1, sizeof(idatDataCrc32), file);

    // 寫 IEND 信息
    fwrite(PNG_IEND_DATA, 1, sizeof(PNG_IEND_DATA), file);

    // 查看字節序
    if(isBigEndianOrder()) {
        printf("大端字節序");
    } else {
        printf("小端字節序");
    }

    // 收尾工作
    fflush(file);
    free(rgb24Data);
    fclose(file);
    return 0;
}

生成索引 PNG 圖片

索引 PNG 圖片必須有 PLTE 調色板數據塊，IDAT 數據塊中存放的是圖像的 PLTE 調色板顏色索引數據。

分析 - 索引 PNG IDAT 數據塊

以 7X7 分辨率爲例：

代碼 - 生成索引 PNG PLTE 調色板

// 彩虹的七種顏色
uint32_t rainbowColors[] = {
        0XFF0000, // 紅
        0XFFA500, // 橙
        0XFFFF00, // 黃
        0X00FF00, // 綠
        0X007FFF, // 青
        0X0000FF, // 藍
        0X8B00FF  // 紫
};

/**
 * 生成索引 PNG 圖片的調色板 PLTE
 * @param rgbPLTEData
 */
void genRGBPLTE(uint8_t *rgbPLTEData) {
    for (int i = 0; i < 7; ++i) {
        uint32_t currentColor = rainbowColors[i];
        // 當前顏色 R 分量
        uint8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;
        // 當前顏色 G 分量
        uint8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;
        // 當前顏色 B 分量
        uint8_t B = currentColor & 0x0000FF;

        int currentIndex = 3*i;
        rgbPLTEData[currentIndex] = R;
        rgbPLTEData[currentIndex+1] = G;
        rgbPLTEData[currentIndex+2] = B;
    }
}

代碼 - 生成索引 PNG IDAT 數據塊

/**
 * 生成索引 PNG 圖片的圖像數據塊 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;
        }
        // 每個掃描行前第一個字節是過濾器類型
        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 完整代碼

#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 圖片尺寸
    int width = 700, height = 700;
    // IDAT 中數據部分長度
    uint32_t IDAT_INDEX_DATA_LENGTH = width*height/2+height;

    // PNG 文件包括 8 字節文件署名（89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，十六進制），用來識別 PNG 格式。
    uint8_t PNG_FILE_SIGNATURE[] = {0x89, 0x50, 0x4E, 0x47, 0x0D, 0x0A, 0x1A, 0x0A};
    // IHDR 每個字母對應的 ASCII
    uint32_t IHDR_ASCII = switchUint32(0x49484452);
    // PLTE 每個字母對應的ASCII
    uint32_t PLTE_ASCII = switchUint32(0x504C5445);
    // IDAT 每個字母對應的ASCII
    uint32_t IDAT_ASCII = switchUint32(0x49444154);
    // PNG 文件的結尾 12 個字節看起來總應該是這樣的：（00 00 00 00 49 45 4E 44 AE 42 60 82，十六進制）
    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 file\n");
        return -1;
    }

    // 紅橙黃綠青藍紫-七種顏色的調色板  7 種顏色 * 每種顏色佔 3 字節
    uint8_t *rgbPLTEData = (uint8_t *)malloc(7*3);
    // 索引 PNG 圖片，IDAT 存儲的是 PLTE 中的圖片索引
    uint8_t *rgbIndexData = (uint8_t *)malloc(IDAT_INDEX_DATA_LENGTH);

    // 填充 紅橙黃綠青藍紫-七種顏色的調色板
    genRGBPLTE(rgbPLTEData);
    // 填充 IDAT 的 PLTE 索引
    genRGBIndexData(rgbIndexData, width, height);

    // 寫 PNG 文件署名
    fwrite(PNG_FILE_SIGNATURE, 1, sizeof(PNG_FILE_SIGNATURE), file);

    // 準備 IHDR 數據
    PNG_IHDR_DATA pngIhdrData;
    pngIhdrData.width = switchUint32(width);
    pngIhdrData.height = switchUint32(height);
    pngIhdrData.bitDepth = 4;
    pngIhdrData.colorType = 3; // 3：索引彩色圖像，1，2，4或8
    pngIhdrData.compressionMethod = 0;
    pngIhdrData.filterMethod = 0;
    pngIhdrData.interlaceMethod = 0;

    // IHDR 數據長度
    uint32_t IHDR_DATA_LENGTH = 13;
    // IHDR 數據長度 轉換成大端字節序
    uint32_t pngIhdrDataSize = switchUint32(IHDR_DATA_LENGTH);
    // 計算 IHDR CRC32
    uint32_t ihdrDataCrc32 = calcCrc32(IHDR_ASCII, (uint8_t *) &pngIhdrData, IHDR_DATA_LENGTH);

    // 寫 IHDR 數據長度
    fwrite(&pngIhdrDataSize, 1, sizeof(pngIhdrDataSize), file);
    // 寫 IHDR ASCII
    fwrite(&IHDR_ASCII, 1, sizeof(IHDR_ASCII), file);
    // 寫 IHDR 數據
    fwrite(&pngIhdrData, 1, IHDR_DATA_LENGTH, file);
    // 寫 IHDR CRC32
    fwrite(&ihdrDataCrc32, 1, sizeof(ihdrDataCrc32), file);


    // 準備 PLTE 調色板信息
    // PLTE 數據長度
    uint32_t PLTE_DATA_LENGTH = 21;
    // PLTE 數據長度 轉換成大端字節序
    uint32_t pngPlteDataLength = switchUint32(PLTE_DATA_LENGTH);
    // 計算 PLTE CRC32
    uint32_t plteDataCrc32 = calcCrc32(PLTE_ASCII, rgbPLTEData, PLTE_DATA_LENGTH);

    // 寫 PLTE 數據長度
    fwrite(&pngPlteDataLength, 1, sizeof(pngPlteDataLength), file);
    // 寫 PLTE ASCII
    fwrite(&PLTE_ASCII, 1, sizeof(PLTE_ASCII), file);
    // 寫 PLTE 數據
    fwrite(rgbPLTEData, 1, PLTE_DATA_LENGTH, file);
    // 寫 PLTE CRC32
    fwrite(&plteDataCrc32, 1, sizeof(plteDataCrc32), file);

    // zlib 壓縮數據
    // buf 用於存放壓縮後的數據
    uint8_t buf[IDAT_INDEX_DATA_LENGTH];
    // 壓縮後 buf 的數據長度 壓縮完成後就是實際大小了
    uint32_t buflen = IDAT_INDEX_DATA_LENGTH;

    // 執行 zlib 的壓縮方法
    compress(buf, (uLongf *) &buflen, rgbIndexData, IDAT_INDEX_DATA_LENGTH);
    printf("\n壓縮前數據長度：%d \n壓縮後數據長度爲:%d \n", IDAT_INDEX_DATA_LENGTH, buflen);

    // 計算 IDAT CRC32
    uint32_t idatDataCrc32 = calcCrc32(IDAT_ASCII, buf, buflen);
    // IDAT 數據長度 轉換成大端字節序
    uint32_t tmpBuflen = switchUint32(buflen);

    // 寫 IDAT 數據長度
    fwrite(&tmpBuflen, 1, sizeof(tmpBuflen), file);
    // 寫 IDAT ASCII
    fwrite(&IDAT_ASCII, 1, sizeof(IDAT_ASCII), file);
    // 寫 IDAT 數據
    fwrite(buf, 1, buflen, file);
    // 寫 IDAT CRC32
    fwrite(&idatDataCrc32, 1, sizeof(idatDataCrc32), file);

    // 寫 IEND 信息
    fwrite(PNG_IEND_DATA, 1, sizeof(PNG_IEND_DATA), file);

    // 查看字節序
    if(isBigEndianOrder()) {
        printf("大端字節序");
    } else {
        printf("小端字節序");
    }

    // 收尾工作
    fflush(file);
    free(rgbPLTEData);
    free(rgbIndexData);
    fclose(file);
    return 0;
}

總結 & 查看

生成真彩 PNG、索引 PNG 圖片之間的區別：

IHDR 文件頭數據塊中的顏色類型，索引 PNG 顏色類型是 3：索引彩色圖像，真彩 PNG 顏色類型是 2：真彩色圖像。
PLTE 調色板數據塊，索引 PNG 必須有調色板，真彩 PNG 不需要調色板。
IDAT 數據塊存儲的數據，索引 PNG 存儲的是調色板顏色的索引，真彩 PNG 存儲的是 RGB 數據。

來看一看純手工打造的 PNG 圖片：

Congratulations!

代碼：
11-rgb-to-png

參考資料：

Portable Network Graphics (PNG) Specification and Extensions

gzip,deflate,zlib辨析

Zlib庫的安裝與使用

內容有誤？聯繫作者：

本文由博客一文多發平臺 OpenWrite 發佈！

音視頻入門-12-手動生成一張PNG圖片

預熱

生成真彩 PNG 圖片

分析 - 真彩 PNG IDAT 數據塊

代碼 - 生成真彩 PNG IDAT 數據塊

生成真彩 PNG 完整代碼

生成索引 PNG 圖片

分析 - 索引 PNG IDAT 數據塊

代碼 - 生成索引 PNG PLTE 調色板

代碼 - 生成索引 PNG IDAT 數據塊

生成索引 PNG 完整代碼

總結 & 查看

Congratulations!

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