音视频入门-12-手动生成一张PNG图片

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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：

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 file\n");
        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：

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 file\n");
        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：

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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生成真彩 PNG 图片

分析 - 真彩 PNG IDAT 数据块

代码 - 生成真彩 PNG IDAT 数据块

生成真彩 PNG 完整代码

生成索引 PNG 图片

分析 - 索引 PNG IDAT 数据块

代码 - 生成索引 PNG PLTE 调色板

代码 - 生成索引 PNG IDAT 数据块

生成索引 PNG 完整代码

总结 & 查看

Congratulations!

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引用和评论

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