png图片结构分析与加密解密原理.docx
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png图片结构分析与加密解密原理
png图片结构分析与加密解密原理
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-8128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。
8bitPNGsuseanindexedcolorpalettelikeGIF.Ifyouwantvariabletransparency,use32bitPNGs(24bitcolor,8bitalpha).Ifyoudon'tcareabouttransparency,use24bitPNGs.
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.PNG文件标志,为固定的64个字节:
0x89504e470x0d0a1a0a
2.文件头数据块IHDR(headerchunk)
3.调色板数据块PLTE(palettechunk)
4.sBIT,tRNS块 等。
。
。
5.图像数据块IDAT(imagedatachunk)
6.图像结束数据IEND(imagetrailerchunk),固定的96个字节:
0x000000000x49454e440xae426082
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1-4:
除了PNG文件标志,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:
ChunkLength:
4byte
ChunkType:
4byte
ChunkData:
ChunkLength的长度
ChunkCRC:
4byte
例如IHDR块的数据长度为13,既
ChunkLength=13
ChunkType="IHDR"
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ChunkLength/3的长度嘛,而且ChunkLength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WindowsMobile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ChunkData是没有的,所以是固定的96个字节:
0x000000000x49454e440xae426082
IEND数据块的长度总是0(00000000,除非人为加入信息),数据标识总是IEND(49454E44),因此,CRC码也总是AE426082。
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0x89504e470x0d0a1a0a,文件尾是固定的0x000000000x49454e440xae426082,去掉!
Level3:
每个区块的ChunkType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ChunkLength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ChunkCRC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ByteArrayOutputStreamout,
1.写入文件头:
out.writeInt(0x89504e47);
out.writeInt(0x0d0a1a0a);
2.写入IHDR块
out.writeInt(13);
out.writeInt(0x); //0x为ChunkType"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();
Imageimage=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ChunkLength,ChunkType和ChunkCRC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。
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附录
PNG文件结构分析(上:
了解PNG文件存储格式)
PNG的文件结构
对于一个PNG文件来说,其文件头总是由位固定的字节来描述的:
十进制数
13780787113102610
十六进制数
89504E470D0A1A0A
其中第一个字节0x89超出了ASCII字符的范围,这是为了避免某些软件将PNG文件当做文本文件来处理。
文件中剩余的部分由3个以上的PNG的数据块(Chunk)按照特定的顺序组成,因此,一个标准的PNG文件结构应该如下:
PNG文件标志
PNG数据块
……
PNG数据块
PNG数据块(Chunk)
PNG定义了两种类型的数据块,一种是称为关键数据块(criticalchunk),这是标准的数据块,另一种叫做辅助数据块(ancillarychunks),这是可选的数据块。
关键数据块定义了4个标准数据块,每个PNG文件都必须包含它们,PNG读写软件也都必须要支持这些数据块。
虽然PNG文件规范没有要求PNG编译码器对可选数据块进行编码和译码,但规范提倡支持可选数据块。
下表就是PNG中数据块的类别,其中,关键数据块部分我们使用深色背景加以区分。
PNG文件格式中的数据块
数据块符号
数据块名称
多数据块
可选否
位置限制
IHDR
文件头数据块
否
否
第一块
cHRM
基色和白色点数据块
否
是
在PLTE和IDAT之前
gAMA
图像γ数据块
否
是
在PLTE和IDAT之前
sBIT
样本有效位数据块
否
是
在PLTE和IDAT之前
PLTE
调色板数据块
否
是
在IDAT之前
bKGD
背景颜色数据块
否
是
在PLTE之后IDAT之前
hIST
图像直方图数据块
否
是
在PLTE之后IDAT之前
tRNS
图像透明数据块
否
是
在PLTE之后IDAT之前
oFFs
(专用公共数据块)
否
是
在IDAT之前
pHYs
物理像素尺寸数据块
否
是
在IDAT之前
sCAL
(专用公共数据块)
否
是
在IDAT之前
IDAT
图像数据块
是
否
与其他IDAT连续
tIME
图像最后修改时间数据块
否
是
无限制
tEXt
文本信息数据块
是
是
无限制
zTXt
压缩文本数据块
是
是
无限制
fRAc
(专用公共数据块)
是
是
无限制
gIFg
(专用公共数据块)
是
是
无限制
gIFt
(专用公共数据块)
是
是
无限制
gIFx
(专用公共数据块)
是
是
无限制
IEND
图像结束数据
否
否
最后一个数据块
为了简单起见,我们假设在我们使用的PNG文件中,这4个数据块按以上先后顺序进行存储,并且都只出现一次。
数据块结构
PNG文件中,每个数据块由4个部分组成,如下:
名称
字节数
说明
Length(长度)
4字节
指定数据块中数据域的长度,其长度不超过(231-1)字节
ChunkTypeCode(数据块类型码)
4字节
数据块类型码由ASCII字母(A-Z和a-z)组成
ChunkData(数据块数据)
可变长度
存储按照ChunkTypeCode指定的数据
CRC(循环冗余检测)
4字节
存储用来检测是否有错误的循环冗余码
CRC(cyclicredundancycheck)域中的值是对ChunkTypeCode域和ChunkData域中的数据进行计算得到的。
CRC具体算法定义在ISO3309和ITU-TV.42中,其值按下面的CRC码生成多项式进行计算:
x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
下面,我们依次来了解一下各个关键数据块的结构吧。
IHDR
文件头数据块IHDR(headerchunk):
它包含有PNG文件中存储的图像数据的基本信息,并要作为第一个数据块出现在PNG数据流中,而且一个PNG数据流中只能有一个文件头数据块。
文件头数据块由13字节组成,它的格式如下表所示。
域的名称
字节数
说明
Width
4bytes
图像宽度,以像素为单位
Height
4bytes
图像高度,以像素为单位
Bitdepth
1byte
图像深度:
索引彩色图像:
1,2,4或8
灰度图像:
1,2,4,8或16
真彩色图像:
8或16
ColorType
1byte
颜色类型:
0:
灰度图像,1,2,4,8或16
2:
真彩色图像,8或16
3:
索引彩色图像,1,2,4或8
4:
带α通道数据的灰度图像,8或16
6:
带α通道数据的真彩色图像,8或16
Compressionmethod
1byte
压缩方法(LZ77派生算法)
Filtermethod
1byte
滤波器方法
Interlacemethod
1byte
隔行扫描方法:
0:
非隔行扫描
1:
Adam7(由AdamM.Costello开发的7遍隔行扫描方法)
由于我们研究的是手机上的PNG,因此,首先我们看看MIDP1.0对所使用PNG图片的要求吧:
∙在MIDP1.0中,我们只可以使用1.0版本的PNG图片。
并且,所以的PNG关键数据块都有特别要求:
IHDR
∙文件大小:
MIDP支持任意大小的PNG图片,然而,实际上,如果一个图片过大,会由于内存耗尽而无法读取。
∙颜色类型:
所有颜色类型都有被支持,虽然这些颜色的显示依赖于实际设备的显示能力。
同时,MIDP也能支持alpha通道,但是,所有的alpha通道信息都会被忽略并且当作不透明的颜色对待。
∙色深:
所有的色深都能被支持。
∙压缩方法:
仅支持压缩方式0(deflate压缩方式),这和jar文件的压缩方式完全相同,所以,PNG图片数据的解压和jar文件的解压可以使用相同的代码。
(其实这也就是为什么J2ME能很好的支持PNG图像的原因:
))
∙滤波器方法:
尽管在PNG的白皮书中仅定义了方法0,然而所有的5种方法都被支持!
∙隔行扫描:
虽然MIDP支持0、1两种方式,然而,当使用隔行扫描时,MIDP却不会真正的使用隔行扫描方式来显示。
∙PLTEchunk:
支持
∙IDATchunk:
图像信息必须使用5种过滤方式中的方式0(None,Sub,Up,Average,Paeth)
∙IENDchunk:
当IEND数据块被找到时,这个PNG图像才认为是合法的PNG图像。
∙可选数据块:
MIDP可以支持下列辅助数据块,然而,这却不是必须的。
bKGDcHRMgAMAhISTiCCPiTXtpHYs
sBITsPLTsRGBtEXttIMEtRNSzTXt
关于更多的信息,可以参考/REC-png.html
PLTE
调色板数据块PLTE(palettechunk)包含有与索引彩色图像(indexed-colorimage)相关的彩色变换数据,它仅与索引彩色图像有关,而且要放在图像数据块(imagedatachunk)之前。
PLTE数据块是定义图像的调色板信息,PLTE可以包含1~256个调色板信息,每一个调色板信息由3个字节组成:
颜色
字节
意义
Red
1byte
0=黑色,255=红
Green
1byte
0=黑色,255=绿色
Blue
1byte
0=黑色,255=蓝色
因此,调色板的长度应该是3的倍数,否则,这将是一个非法的调色板。
对于索引图像,调色板信息是必须的,调色板的颜色索引从0开始编号,然后是1、2……,调色板的颜色数不能超过色深中规定的颜色数(如图像色深为4的时候,调色板中的颜色数不可以超过2^4=16),否则,这将导致PNG图像不合法。
真彩色图像和带α通道数据的真彩色图像也可以有调色板数据块,目的是便于非真彩色显示程序用它来量化图像数据,从而显示该图像。
IDAT
图像数据块IDAT(imagedatachunk):
它存储实际的数据,在数据流中可包含多个连续顺序的图像数据块。
IDAT存放着图像真正的数据信息,因此,如果能够了解IDAT的结构,我们就可以很方便的生成PNG图像。
IEND
图像结束数据IEND(imagetrailerchunk):
它用来标记PNG文件或者数据流已经结束,并且必须要放在文件的尾部。
如果我们仔细观察PNG文件,我们会发现,文件的结尾12个字符看起来总应该是这样的:
0000000049454E44AE426082
不难明白,由于数据块结构的定义,IEND数据块的长度总是0(00000000,除非人为加入信息),数据标识总是IEND(49454E44),因此,CRC码也总是AE426082。
实例研究PNG
以下是由Fireworks生成的一幅图像,图像大小为8*8,为了方便大家观看,我们将图像放大:
使用UltraEdit32打开该文件,如下:
00000000~00000007:
可以看到,选中的头8个字节即为PNG文件的标识。
接下来的地方就是IHDR数据块了:
00000008~00000020:
∙0000000D说明IHDR头块长为13
∙49484452IHDR标识
∙00000008图像的宽,8像素
∙00000008图像的高,8像素
∙04色深,2^4=16,即这是一个16色的图像(也有可能颜色数不超过16,当然,如果颜色数不超过8,用03表示更合适)
∙03颜色类型,索引图像
∙00PNGSpec规定此处总为0(非0值为将来使用更好的压缩方法预留),表示使压缩方法(LZ77派生算法)
∙00同上
∙00非隔行扫描
∙3621A3B8CRC校验
00000021~0000002F:
可选数据块sBIT,颜色采样率,RGB都是256(2^8=256)
00000030~00000062:
这里是调色板信息
∙00000027说明调色板数据长为39字节,既13个颜色数
∙504C5445PLTE标识
∙FFFF00颜色0
∙FFED00颜色1
∙…………
∙0900B2最后一个颜色,12
∙5FF5BBDDCRC校验
00000063~000000C5:
这部分包含了pHYs、tExt两种类型的数据块共3块,由于并不太重要,因此也不再详细描述了。
000000C0~000000F8
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