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layout: post title: 一步一步解码 PNG 图片

tags: [image, png, javascript, decode, decoder, parser, parse]

解码 PNG 图片就是把一张图片从二进制数据转成包含像素数据的 ImageData。

图片的二进制数据可以从 <canvas>，<img>，Object URLs，Image URLs，Blob 对象上获取到。参见浏览器图像转换手册。

ImageData 是一个包括了像素数据、图片宽高数据的对象。

示例图片

👆 这是一张我们接下去要解码的图片，但它太小了，放大了展示给大家看下。👇

<img src="/assets/2019-12-07-decode-a-png-image-with-javascript-cn/pixels-large.png" width="100px">

二进制数据

我们先从浏览器的 <input> 标签上读取到 Blob 对象，然后拿到这张图片的二进制数据。

<input type="file" />
<script>
  const input = document.querySelector('input');
  input.addEventListener('change', async function(e) {
    const [file] = e.target.files;
    const arrayBuffer = await file.arrayBuffer();
    console.log('arrayBuffer', arrayBuffer);
    // TODO: Let's decode arrayBuffer
    const imageData = decode(arrayBuffer);
    console.log('imageData', imageData);
  });
</script>

得到的 arrayBuffer 如下：

每个表格的单元格内有 4 字节数据，每个字节由 8 位组成，1 位代表的是 0 或者 1 的一个数字。

PNG 文件签名

一张 PNG 图片二进制数据的开头必须是这 8 字节：0x89, 0x50, 0x4e, 0x47, 0x0d, 0x0a, 0x1a, 0x0a。

0x 代表这个数字是 16 进制表示的，0x89, 0x50, 0x4e, 0x47, 0x0d, 0x0a, 0x1a, 0x0a 转换为 10 进制是 137, 80, 78, 71, 13, 10, 26, 10。

这张图片的前 8 个字节满足签名的要求。

数据块

数据块包含了图片所有的数据，一个数据块可以分为数据块的开始信息、数据块的数据信息和数据块的结束信息。

一个数据块的开始信息包含 2 个 32 位的数字，换算成字节的话，就是 8 个字节。前 4 个字节会被合并成一个 32 位的数字，表示数据信息的长度，后面 4 个字节可以被转换成文本，表示数据块的类型。

我们从第 8 个字节开始解析数据块的开始信息。

开始信息 1

这个数据块是 IHDR 类型，有 13 字节的数据信息。

数据信息 1 IHDR

IHDR 里面的数据信息如下：

• width（宽）和 height（高）表示图片的宽高。
• depth （通道深度）代表每个色彩通道用几位数据表示。一张 PNG 图片是由像素组成的，每个像素由色彩通道组成，每个色彩通道又是由位来组成。
• colorType（色彩类型）PNG 图片一共有 5 种色彩类型，0 代表灰度颜色，2 代表用 RGB 表示颜色，即 (R, G, B)，3 代表用色板表示颜色，4 代表灰度和透明度来表示颜色，6 代表用 RGB 和透明度表示颜色，即 (R, G, B, A)。色板的色彩类型里，每个像素是由 1 个色彩通道表示的。
• compression 代表了压缩算法。目前只支持 0，表示 deflate/inflate。Deflate/inflate 是一种结合了 LZ77 和霍夫曼编码的无损压缩算法，被广泛运用于 7-zip，zlib，gzip 等场景。
• filter 代表在压缩前应用的过滤函数类型，目前只支持 0。过滤函数类型 0 里面包括了 5 种过滤函数。
• interlace 代表图片数据是否经过交错，0 代表没有交错，1 代表交错。

从上面的信息看出，这是一张 2 * 2 像素的图片，使用色板作为颜色类型，每个像素由 1 个色彩通道组成，每个色彩通道由 2 位组成。像素数据没有交错，经过 0 的过滤函数类型后，经过 deflate 压缩，

结束信息 1

结束信息包括了 4 字节的 CRC32 校验和。解码器应该根据数据块类型和数据块的数据信息计算 CRC32 校验和，并与结束信息中的校验和比对。如果相等，则认为图片数据被正确传输。

开始信息 2

这个数据块是 sRGB 信息，长度是 1 字节。

这个数据块类型是小写字母开头的，这表示这个数据块是辅助数据块，大写字母开头的数据块类型表示关键数据块。

数据信息 2 sRGB

sRGB 表示图片使用的色彩空间。

• 0 表示感性的，用于展示照片等。
• 1 表示相对色彩，用于展示图标等。
• 2 表示饱和的，用于展示图表等。
• 3 表示绝对色彩，用于展示图片原本的色彩。

结束信息 2

需要比对 CRC32。

开始信息 3

9 个字节的 pHYs 辅助数据信息。

数据信息 3 pHYs

pHYs 数据块代表图片的物理世界大小，从上面的数据可以看出，这张图在现实世界中应该被渲染成每米 2835 像素，宽高一样。

结束信息 3

比对 CRC32。

开始信息 4

12 字节 PLTE 色板数据，是关键数据块。

数据信息 4 PLTE

色板中包含的数据是 RGB 数据，以 R, G, B 的形式保存，这里一共 12 字节，表示了 4 个色块。得到的色板信息如下：

色板

[[255, 0, 0], [0, 255, 0], [0, 0, 255], [255, 255, 255]]

结束信息 4

比对 CRC32。

开始信息 5

4 字节 tRNS 透明度数据，是辅助数据块。

数据信息 5 tRNS

这个数据块为色板提供透明信息，每个字节表示一个色块的透明信息。与色板组合后的色板如下：

色板

[[255, 0, 0, 255], [0, 255, 0, 255], [0, 0, 255, 255], [255, 255, 255, 127]]

结束信息 5

比对 CRC32。

开始信息 6

12 字节 IDAT 像素数据，是关键数据块。

数据信息 6 IDAT

在解析像素数据前，我们先要了解下像素数据是如何编码的。每行像素都会先经过过滤函数处理，每行像素的过滤函数可以不同。然后所有行的像素数据会经过 deflate 压缩算法压缩。所以，我们需要对这里的像素数据先解压，这里我们直接使用了 zlib.inflate() 函数。在浏览器上，可以使用 pako 工具包。

解压出来的像素数据是 Uint8Array：0, 16, 0, 176。

接下去我们需要仔细了解每行像素是如何编码，才能把上面的数据还原成像素点。

扫描线 Scanline

一根扫描线包含图片一行像素的数据。我们知道这张图片的高度是 2，也就是像素数据中有 2 行扫描线。

一根扫描线由 1 字节的过滤函数标记和像素信息组成。像素信息一个接一个地排列，中间没有多余的空位。如果扫描线长度不足以填满字节的位数，最后几位会被补齐。一根扫描线的结构如下：

所以我们先要知道每个像素的位数才能解码扫描线。

色彩类型 - 色彩通道 - 通道深度 - 每像素位数

这张图片的色彩类型是 3，所以每个像素包含 1 个色彩通道。又因为图片的通道深度是 2，所以我们知道每个像素是用 2 位来表示的。

所以我们可以解码扫描线了。

解码扫描线

过滤函数

在扫描线被压缩前，每根扫描线都会被单独的过滤函数处理，以使后面的压缩效果更好。

在过滤函数类型 0 中，有 5 种过滤函数：

过滤函数用 A、B、C 三点的数值来计算当前点 X。

这张图片里面的过滤函数 0 表示这张图数据未经过滤。所以我们只要保留原始数据就行了。

扫描线像素

这里每个像素中的数据表示了这个像素的颜色在色板中的索引。根据色板，我们可以还原出图片的像素信息：[[255, 0, 0, 255], [0, 255, 0, 255], [0, 0, 255, 255], [255, 255, 255, 127]]。

图片像素

结束信息 6

比对 CRC32。

开始信息 7

0 字节 IEND 图片结束数据块，是关键数据块。

数据信息 7 IEND

无。

结束信息 7

比对 CRC32。

整张图片解码完成，最终的 ImageData 对象是:

ImageData

imageData = {
  width: 2,
  height: 2,
  data: [255, 0, 0, 255, 0, 255, 0, 255, 0, 0, 255, 255, 255, 255, 255, 127],
};

总结

我们成功解码了一张简单的 PNG 图片，但其中，我简化了很多细节：

• IDAT 数据可以被分开放在多个数据块中。所以我们需要先收集到所有 IDAT 数据块，再对其解码。
• 一共有 4 种关键数据块和 14 种辅助数据块。可以参考 PNG 规范中的标准数据块摘要。
• 交错型的 PNG 图片可以让 PNG 展示地更快，但是会让 IDAT 数据变大。

你可以在 GitHub 看到实现了以上功能的源码。

参考资料

• 源码
• PNG 规范
• JavaScript PNG 图片编码和解码