Geschichte Eigenschaften von PNG Bits n Bytes Verfahren zur Kompression/Dekompression Fazit (Vorteile,Nachteile) Das PNG-Dateiformat

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1 1. April 2008

2 Inhalt 1 Geschichte 2 Eigenschaften von PNG 3 Bits n Bytes 4 Verfahren zur Kompression/Dekompression 5 Fazit (Vorteile,Nachteile)

3 Die Vor-Geschichte 1983: Sperry Corporation (später von Unisys aufgekauft) erhält Patent auf LWZ Algorithmus. 1987: GIF wird von CompuServe als freie, offene Spezifikation veröffentlicht. GIF verwendet den LWZ Algorithmus zur Kompression. 1993/1994: Unisys klagt auf Patentrecht, da GIF ihren LZW Algorithmus zur Kompression verwendet. 1995: Thomas Boutell macht ersten Schritt zur Spezifikation von PNG.

4 Die Geschichte von PNG 1995: World Wide Consortium (W3C) veröffentlicht PNG-Spezifikation offiziell: PNG (Portable Network Graphics) inoffiziell: PiNG (PiNG is not GIF) - PiNG laut W3C-Standard mittlerweile offizielle Aussprache. 1997: Spezifikation 1.0 durch Internet Engineering Task Force 2003: Unisys-Patent läuft aus. 2004: PNG wird ISO/IEC Standard und vom W3C als Standard empfohlen.

5 Was ist PNG? Abbildung: png/pnglogoblk.jpg Offenes, standardisiertes Bildformat geplant als Ersatz für GIF Mittlerweile von allen bekannten Browsern, Bildbetrachtungsprogrammen und Bildbearbeitunsprogrammen unterstützt bessere Kompression als GIF unterstützt Transparenz im Gegensatz zu GIF keine animierten Bilder

6 Technischer Überblick Abbildung: Format Ein PNG-Bild mit 256 Farben, das dank Vorfilter nur 251 Byte groß ist. Das gleiche Bild als GIF-Datei wäre mehr als dreizehnmal so groß. Farbpalette mit bis zu 256 Farben Graustufenbilder mit 1,2,4,8 oder 16 Bit pro Pixel RGB-Bilder mit 24 oder 48 Bit pro Pixel Alphakanäle mit 8 oder 16 Bit (256 oder Abstufungen von Transparenz) Metadaten in Chunks speichern weitere Informationen über das Bild Kompression zunächst wahlweise durch Vorfilter, danach durch Deflate Algorithmus

7 Der Header einer jeden PNG-Datei Die ersten acht Bytes einer PNG-Datei sehen immer wie folgt aus: HEX ASCII Bedeutung 89 \211 Startzeichen zur Identifikation 50 P Identifikation als PNG-Datei 4e N 47 G 0d \r \n DOS/Windows Stil (Integritätscheck, CR-LF) 0a \n 1a \032 MS-DOS Stopp-Zeichen 0a \n \n, Unix Stil (Integritätscheck, LF)

8 Chunks... beinhalten die eigentlichen Daten, aber auch Metainformationen über ein PNG-Bild... haben immer das folgende Aussehen: Länge: 4 Byte lange Integer-Zahl Typ: 4 Byte Zeichenkette (Groß- und Kleinbuchstaben) Daten: Eigentlicher Datenbereich des Chunks (kann auch leer sein) CRC: Checksumme mit CRC-Verfahren über Typ- und Datenfeld... können von bestimmten Programmen selbst definiert verwendet werden

9 Namenskonventionen von Chunks Benennung von Chunks erfolgt nicht willkürlich. Groß- oder Kleinschreibung haben eine Bedeutung. Die nachfolgenden Bits sind immer die fünften Bits im Byte. nachfolgende Bits auf 1 gesetzt bedeuten, dass der Buchstabe klein geschrieben wird. nachfolgende Bits auf 0 gesetzt bedeuten, dass der Buchstabe groß geschrieben wird.

10 Namenskonvention von Chunks II 1. Ancillary Bit: groß: Chunk ist zur Darstellung notwenig. klein : Chunk kann ignoriert werden. 2. Private Bit: groß: Chunk gehört zu den für PNG spezifizierten Chunks. klein: Chunk ist privat, wird von einem speziellen Programm verwendet. 3. Reserved Bit: Muss zur Zeit immer 0 sein. Ggf. wird in Zukunft noch eine Bedeutung für dieses Bit gebraucht. 4. Safe-to-copy Bit: groß: unsicher zu kopieren (wenn ein Programm das Chunk nicht versteht, darf es keine Änderungen daran vornehmen). klein: sicher zu kopieren (wenn ein Programm das Chunk nicht kennt, darf es dieses Chunk verändern oder löschen).

11 Beispiel für Namenskonvention Abbildung: Beispiel für Namenskonvention, PNG Spezifikation 1.2, Seite 14 1 Chunk kann ignoriert werden 2 Chunk ist privat (PNG spezifiziert) 3 Reserved Bit muss zur Zeit immer 0 sein 4 Programm darf Chunk ändern oder löschen

12 Elementare Chunks Jede PNG-Datei muss einen IHDR-, einen oder mehrere IDATund einen IEND- Chunk enthalten. IHDR: Der Header-Chunk folgt direkt auf die 8 Header Bytes der Datei. 4 Bytes Breite des Bildes 4 Bytes Höhe des Bildes 1 Byte Bit Tiefe 1 Byte Farbtyp 1 Byte Compressionsmethode 1 Byte Filtermethode 1 Byte Interlace-Methode

13 IHDR Chunk Nicht jede Bitfolge im IHDR-Chunk ist erlaubt: Abbildung: Erlaubte Bit-Kombinationen, PNG Spezification 1.2, Seite 16

14 Unterschiedliche Typen von PNG Bildern Graustufen: 1, 2, 4, 8 oder 16 Bit Tiefe der Graustufen = 1 Sample Jedes Pixel hat ein Sample um seine Farbe zu beschreiben. RGB Tripel: 8 oder 16 Bit jeweils für Rot, Grün und Blau = 24 oder 48 Bit Jedes Pixel speichert eigenen Farbwert aus RGB. Palettenindex: 1, 2, 4 oder 8 Bit speichern einen Palettenindex. In der Palette steht dann der Farbwert.

15 Typen von PNG Bildern: Transparenz Graustufen mit nachfolgendem Alpha Sample für Transparenz Nur für Bittiefen 8 Bit Alpha Wert für jedes Pixel folgt direkt auf die Daten für das Pixel Größe des Alpha-Wertes ist gleich der Größe des Pixels, also mindestens 8 Bit. RGB mit nachfolgendem Alpha Sample für Transparenz Hat die gleichen Eigenschaften wie bei Graustufenbildern mit Alpha Kanal. Transparenz auch mit Palettenbildern: trns-chunk (ein Transparenzwert pro Paletteneintrag) oder mit RGB/Greyscale: trns-chunk (einzelne Pixel können transparent sein, ohne, dass das ganze Bild einen Alphakanal hat.

16 PLTE die verwendete Farbpalette muss für alle Typen von Bildern außer Graustufenbildern und Truecolorbildern vorhanden sein. enthält 1 bis 256 Paletteneinträge Jeder Paletteneintag enthält 3 Bytes: 1 Byte für Rot (0 = schwarz, 255 = rot) 1 Byte für Grün (0 = schwarz, 255 = grün) 1 Byte für Blau (0 = schwarz, 255 = blau)

17 IDAT-Chunk / Aufbau der eigentlichen Daten Vorgang Rohdaten werden gemäß in IHDR angegebener Filtermethode verarbeitet. Gefilterte Daten werden gemäß in IHDR angegebener Methode komprimiert. IDAT-Chunk speichert komprimierte Daten. Vorgang kann beim Einlesen eines Bildes leicht umgekehrt werden. Datei kann mehrere IDAT-Chunks enthalten, die dann aber alle zusammenhängen müssen. Zwischen IDAT-Chunks dürfen keine anderen Chunks auftauchen.

18 Weitere Chunks... wichtig: IEND-Chunk: Muss am Ende jeder Datei stehen. Enthält keine weiteren Informationen. Tagging: itxt, text, ztxt Ähnlich zu ID3-Tags bei MP3s Title Author Descrition Copyright Creation Time Software Disclaimer Warning Source Comment

19 Weitere Chunks... II Textuelle Informationen: Angegebene Chunks für textuelle Informationen unterscheiden sich nur in interner Darstellungsweise Können auch für andere textuelle Einträge verwendet werden. Viele weitere Chunks... Transparenz für Palettengrafiken oder wenn man keinen vollständigen Alpha-Kanal will Gamma Hintergrundfarbe physikalische Größe der Pixel...

20 Kompression: Deflate Algorithmus freier Algorithmus, keine Patentprobleme implementiert in zlib wird auch verwendet in zip, gzip ist zusammengesetzt aus LZ77-Algorithmus und Huffman-Codes grobe Idee: Suche mehrfach vorkommende Zeichenketten und ersetze Duplikate durch links. Forme gefundene Symbole in einem gewichteten Baum so um, dass oft vorkommende oben stehen.

21 LZ77-Algorithmus Verwendet ein Fenster mit einer Größe von standardmäßig 32KB. Das Fenster gleitet über die Rohdaten, es wird nach mehrfach vorkommenden Zeichenketten gesucht. Wenn beim Suchen eine Zeichenkette nochmalig vorkommt, wird an deren Stelle eine aus zwei Zahlen bestehende Bitfolge gespeichert: Länge: Die Länge des gefundenen Patterns Entfernung: Die Entfernung zum erst gefundenen Pattern

22 Abbildung: Kodieren und Dekodieren mit LZ77,

23 Huffman-Codes Abbildung: Beispiel für Huffman-Baum, FC1951, Seite 6 Jedes Zeichen eines a priori bekannten Alphabets hat einen binären Code. In einem Binärbaum lässt sich jede beliebige Bitfolge von der (leeren) Wurzel hin zu einem Blatt erschließen. Dies wird genutzt, um Zeichen effizient zu beschreiben, da sich im Baum die Bitmuster gewissermaßen überlappen und demnach nicht die volle Bitzahl für jedes Zeichen gespeichert werden muss.

24 Vorteile PNG komprimiert verlustfrei und effizienter als GIF. PNG ist frei und zielte von Beginn an darauf ab, frei zu sein. aufgeräumtes Dateiformat, dafür gemacht, dass Menschen damit arbeiten. PNG wird von jeder neueren Software unterstützt. PNG ist das Standardformat anständiger Software auf anständigen Betriebssystemen ;-)

25 Nachteile PNG und MNG zu trennen mag eine gute Sache sein, aber MNG setzt sich nicht durch und PNG unterstützt keine Animationen PNG ist nicht der Standard in der Windows-Welt. Das stört zwar keinen, aber nunja...

26 Fazit PNG sollte generell mehr verwendet werden PNG könnte für steganografische Zwecke allein schon deshalb nützlich sein, weil es aufgeräumt ist und frei. Keine braucht animierte Bilder :-)

27 Quellen PNG Spezifikation RFC1951 (Deflate Algorithmus) Zusammenfassung zur PNG Geschichte von PNG Wikipedia (PNG) Wikipedia (Deflate) Wikipedia (LZ77 Algorithmus) Wikipedia (Huffman Codes) coding