Demonstrace průhlednosti PNG

Příklad průhledného PNG s 8bitovou průhledností…

…nahoře bílé pozadí, dole šachovnice.

PNG (oficiální výslovnost „ping“, Portable Network Graphics, česky přenosná síťová grafika) je rastrový grafický formát s bezeztrátovou kompresí. Byl vyvinut jako zdokonalení a náhrada formátu GIF. PNG nabízí podporu 24 bitové barevné hloubky, nemá tedy jako GIF omezení na maximální počet 256 barev současně. PNG tedy do jisté míry nahrazuje GIF, nabízí více barev a lepší kompresi (algoritmus Deflate + filtry). Navíc obsahuje osmibitovou průhlednost (tzv. alfa kanál), to znamená, že obrázek může být v různých částech různě průhledný (tzv. RGBA barevný model). Nevýhodou PNG oproti GIF je praktická nedostupnost jednoduché animace, pro kterou sice existují 2 návrhy APNG a MNG, které se ale zatím neprosadily.

PNG se stejně jako formáty GIF a JPEG používá na Internetu.

Podle MIME má PNG přidělen typ image/png.

Oficiální referenční implementací formátu je libpng.^[1]

Historie a vývoj

Impuls pro vytvoření formátu PNG přišel v roce 1994, kdy po dohodě firem Unisys a CompuServe došlo k licenčnímu zpoplatnění použití formátu GIF. Upravená licence se pak začala vztahovat nejen na velké firmy, ale i na programátory vyvíjející freeware, shareware a také programy šířené pod volnou licencí (GPL). Tato politika vyvolala velkou vlnu odporu, která vyvrcholila akcí „Burn All GIFs“, které se zúčastnily jak velké softwarové firmy, tak samotní programátoři na svých soukromých stránkách.

16. ledna 1995 firma CompuServe zahájila vývoj nového grafického formátu GIF, který měl nahradit stávající GIF. Nový formát pod názvem GIF24 neměl být zatížený patenty (změna komprimačního algoritmu), maximální počet barev měl být zvýšen z 256 na 16 milionů.

Současně s vývojem GIF24, avšak ne u žádné softwarové firmy, se začalo s vývojem naprosto nového formátu, který neměl být vázán žádným patentem ani vztahem k žádné firmě a předčil by tehdejší grafické formáty (především GIF, JPEG). Původní název zněl PBF (Portable Bitmap Format), ale posléze byl změněn na PNG (Portable Network Graphics).

7. března 1995 Glenn Randers-Pehrson zveřejnil úplně první obrázky ve formátu PNG, které jsou i současnými dekodéry čitelné^[2] a dostupné na zrcadle.

Chronologie zveřejňování standardu:

• 1. října 1996 – byla uvolněna verze 1.0 se standardem RFC a W3C.
• 31. prosince 1998 – verze 1.1, s malým počtem změn a přidáním tří nových chunků.
• 11. srpna 1999 – verze 1.2, přidání jednoho speciálního chunku.
• 10. listopadu 2003 – Z PNG se stává mezinárodní norma (ISO/IEC 15948:2003). Tato verze PNG je mírně odlišná od verze 1.2, ale není zde žádný nový chunk.
• 3. března 2004 – ISO/IEC 15948:2004.
• 13. července 2017 – schválena podpora pro Exif^[3]

Technické detaily

Soubor PNG se skládá z hlavičky souboru a série chunků (datových bloků, doslova kusů, soust nebo špalků).

Hlavička souboru

Hlavička souboru (nikoliv hlavička obrazu – ta bude popsána níže) neboli magické číslo v PNG má délku 8 bytů a je v každém souboru stejná. Hexadecimálně má podobu 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A.

Chunky

Každý chunk zprostředkovává jistou informaci o obrazu nebo metadatech. Chunky jsou sémanticky samostatné (přímo se nepojí s jinými částmi souboru). Chunky se rozdělují na „rozhodující“ (critical) a „pomocné“ (ancillary). Rozdělení na chunky dovoluje slučitelnost obrazů PNG se staršími verzemi, stejně jako rozšiřitelnost o případné nové.

Každý chunk se skládá ze čtyř částí: délky obsahu (4 bajty), typu/názvu (4 bajty), samotných dat a kontrolního součtu (4 bajty). Díky tomuto návrhu mohou dekodéry formátu přeskakovat pomocné chunky, aniž by je musely číst; kontrolní součet přispívá k detekci chyb při zpracování.

Typy chunků

Typ je popsán čtyřmi znaky v ASCII (název chunku sestává vždy z písmen) s rozlišením velkých a malých písmen. Použití velkého nebo malého písmena (pátý bit v kódu ASCII) v sobě nese informaci o povaze chunku v případě jeho nerozeznatelnosti.

• První znak signalizuje, zda je chunk rozhodující: velké písmeno znamená rozhodující chunk, malé pak pomocný. Rozhodující chunk obsahuje informaci, která je nezbytná k načtení obrazu. Naopak jakýkoliv pomocný chunk, kterému dekodér nerozumí, může bezpečně ignorovat.
• Druhý znak informuje, zda je chunk „veřejný“ (jedná se o jednoúčelový chunk) nebo „privátní“ (není standardizován). Velké písmeno značí veřejný a malé privátní chunk. To zajistí, že veřejný a privátní znak chunku se nemohou nikdy vzájemně střetnout.
• Třetí znak musí podle specifikace PNG být velké písmeno. Je rezervovaný pro budoucí rozšíření. V případě malého písmene by měl dekodér jednat s tímto chukem jako s jakýmkoliv jiným neznámým.
• Čtvrtý znak signalizuje, jestli je chunk bezpečný ke kopírování pomocí editorů, které ho nerozeznají. Je-li čtvrtý znak malé písmeno, chunk může být bezpečně kopírován bez ohledu na rozsah modifikací souboru. Je-li čtvrtý znak velké písmeno, může být kopírován, jen pokud se modifikace nedotýkají žádných rozhodujících chunků.

Rozhodující chunky

• IHDR je hlavička obrazu (nikoliv hlavičku souboru – ta byla popsána výše). Obsahuje (v tomto pořadí) šířku obrazu v pixelech (4 bajty), výšku obrazu v pixelech (4 bajty), barevnou hloubku (1 bajt), typ kódování barev (1 bajt), metodu komprese (1 bajt), metodu filtrování (1 bajt) a metodu prokládání (1 bajt) – celkem tedy 13 datových bytů. Musí být prvním chunkem.^[4]
  • Pro výšku a šířku je platných prvních 31 bitů, 32. bit je ignorován. Hodnota 0 je neplatná.
  • Barevná hloubka obsahuje počet bitů na „vzorek/složku“ (nikoli pixel). Možné hodnoty jsou 1, 2, 4, 8 a 16.
  • Typ kódování barev je složen ze tří bitů: bit 0 indikuje, zda je použita paleta; bit 1 říká, je-li obraz barevný; bit 2 indikuje přítomnost alfa kanálu.
  • Metoda komprese je v současné specifikaci jen jedna. Má hodnotu 0, což znamená kompresi DEFLATE s 32KiB „plovoucím“ oknem.
  • Metoda filtrování určuje předzpracování obrazových dat (pixelů nebo surových bajtů) před kompresí. V současné specifikaci je jen jedna metoda, má hodnotu 0. V rámci ní existuje 5 typů filtrů: žádný, rozdíl vůči levému, rozdíl vůči hornímu, rozdíl vůči průměru levého a horního, Paethova funkce.
• PLTE obsahuje paletu – tabulku barev. Tento chunk je povinný, pokud typ kódování barev (určený v IHDR) je 3, a volitelný v případě typu kódování barev 2 nebo 6. Počet barev je mezi 1 a 256. Každá barva je uložená v RGB a zabírá 3 bajty – každý bajt v plném rozsahu (0 až 255) pro červenou, zelenou a modrou složku v tomto pořadí. V obrázku s paletou se jako pixely neukládají samotné barvy, ale právě indexy v paletě. Chunk PLTE, je-li definován, musí být uveden před prvním chunkem IDAT.
• IDAT obsahuje samotná obrazová data jakožto výstup komprese. Data mohou být rozdělena do více chunků tohoto typu, což mírně zvětšuje soubor, ale umožňuje streamování.
• IEND označuje konec souboru a musí být posledním chunkem. Neobsahuje datovou část, proto je v každém souboru PNG stejný.

Pomocné chunky

• bKGD určuje výchozí barvu pozadí. Ta se má použít, pokud není jiná vhodnější volba, např. v prohlížečích obrázků (ale ne ve webových prohlížečích).
• cHRM nese informaci o chromatičnosti.
• eXIf obsahuje metadata ve formátu Exif.
• gAMA obsahuje gama korekci.
• hIST představuje histogram neboli celkový (nebo i proporcionální) počet výskytů každé barvy z PLTE v obrazu. Může usnadnit volbu barev na zařízení, které nedokáže zobrazit všechny požadované barvy.
• iCCP je barevný profil ICC.
• iTXt obsahuje text s podporou UTF-8, včetně anglického názvu, jazyka a názvu. Může být komprimovaný.
• pHYs určuje zamýšlenou fyzickou velikost pixelu a/nebo poměr horizontální a vertikální velikosti pixelu.
• sBIT vyjadřuje přesnost barev zdrojových dat.
• sPLT navrhuje paletu, pokud zařízení neumí zobrazit všechny barvy použité v obrazu.
• sRGB znamená, že je použitý barevný prostor sRGB.
• sTER je indikátor prostorového obrazu.
• tEXt obsahuje text ve znakové sadě ISO 8859-1, včetně názvu tohoto textu.
• tIME obsahuje datum a čas poslední úpravy obrazu.
• tRNS určuje průhlednost. U obrazů s paletou obsahuje hodnoty průhlednosti jedné nebo více barev z palety. U obrazů v pravých barvách a ve stupních šedi určuje jedinou barvu, která je zcela průhledná (ovšem u variant s alfa kanálem je tento chunk zakázaný).
• zTXt je podobný jako tEXt, ale text je komprimovaný.

Pořadí chunků

Existuje několik pravidel pro pořadí chunků:^[5]

• IHDR musí být první
• PLTE, pHYs a sPLT musí být před IDAT
• cHRM, gAMA, iCCP, sBIT a sRGB musí být před PLTE (je-li) a před IDAT
• bKGD, hIST a tRNS musí být po PLTE (je-li), ale před IDAT
• tIME, tEXt, zTXt, iTXt a eXIf nemají zvláštní pravidla (stačí dodržet pravidla ostatních chunků)
• IDAT musí být všechny těsně za sebou (pokud je víc než jeden)
• IEND musí být poslední

Textová metadata

Chunky tEXt, iTXt a zTXt obsahují dvojice položka:hodnota pro textová metadata k obrázku. Předdefinovány jsou tyto položky:

• Title – krátký popisek nebo titulek k obrázku (na jednu řádku)
• Author – jméno tvůrce obrázku
• Description – popis obrázku (dlouhý)
• Copyright – poznámka o autorských právech
• Creation Time – čas vytvoření původního obrázku
• Software – software, který obrázek vytvořil
• Disclaimer – právní doložka
• Warning – varování o povaze obsahu
• Source – zařízení použité k vytvoření obrázku
• Comment – povšechný komentář (do kterého nespadají položky výše); převod z formátu GIF

Název výše uvedených, předdefinovaných položek se musí shodovat přesně (i co do velikosti písmen), jinak bude položka chápána jako uživatelsky definovaná. Název položky a její hodnota jsou v chunku odděleny znakem NUL (ASCII hodnota 0). Hodnotou může být cokoli (včetně potenciálně škodlivého kódu), ale prohlížeče a dekodéry by je měly interpretovat jako prostý text.

Komprese

PNG používá bezeztrátovou kompresi se 2 základními kroky:

1. Filtrování – snaha objevit běžné vzory (např. barevné pruhy, gradienty) pro zvýšení účinnosti dalšího kroku
2. Komprese – využívá metodu DEFLATE (stejně jako komprimační knihovna zlib), tj. kombinaci slovníkového algoritmu LZ77 a Huffmanova kódování

Prokládání

PNG nabízí volitelné prokládání pomocí dvourozměrného sedmiprůchodového algoritmu Adam7. Jedná se o pokročilejší prokládání než jednorozměrné čtyřprůchodové prokládání u formátu GIF – umožňuje lepší zobrazení obrázku v dřívější fázi přenosu souboru, obzvlášť při použití interpolace, např. bikubické interpolace.^[6]

Sedmiprůchodový algoritmus však obvykle zhoršuje kompresní poměr víc než jednodušší algoritmy.

Porovnání s jinými formáty

GIF

• GIF podporuje nejvýš 8bitovou barevnou paletu (maximálně 256 barev). PNG podporuje i 24 bitů na pixel (8 bitů na kanál) a 48 bitů na pixel (16 bitů na kanál), což umožňuje lepší podání barev, jemnější barevné přechody atd. S přidaným alfa kanálem je k dispozici až 64 bitů na pixel.
• PNG nabízí širší možnosti průhlednosti než GIF, včetně alfa kanálu.
• Ve většině případů PNG dosahuje lepšího kompresního poměru než GIF. Jen u některých malých obrázků to je naopak.
• GIF podporuje jednoduché animace. PNG sám o sobě nikoliv (podporují je odvozené, málo rozšířené formáty APNG a MNG, které byly za tím účelem vytvořeny).
• Při konverzi z PNG na GIF dochází ke ztrátě kvality v případě, že PNG obsahuje víc než 256 barev (takové snížení barevné hloubky se obvykle projeví zmenšením souboru, což může vést k mylnému závěru, že GIF má lepší kompresi).
• Prokládání v PNG umožňuje dřívější rozpoznání obsahu stahovaného obrázku než prokládání v GIF.
• Oba formáty jsou podporované širokou softwarovou základnou.

JPEG

JPEG může vytvářet menší soubory než PNG pro fotografie a fotorealistické vizualizace, protože JPEG používá ztrátovou kompresi speciálně navrženou pro fotografii. PNG má ve stejné kvalitě až 5-10× větší soubory.

PNG je naopak lepší než JPEG pro obrázky obsahující text, čárovou grafiku, čisté barevné plochy a ostré rozhraní barev. JPEG nepodporuje průhlednost (indexové barvy, alfa kanál). Tam, kde se vyskytují jak fotografické, tak grafické prvky, je potřeba se rozhodnout mezi čistým zobrazováním bezeztrátového PNG, nebo malým souborem ztrátového JPEG.

JPEG je také špatným rozhodnutím pro archivování obrázků pro další zpracování a fotomontáž. To dělá PNG vhodnějším pro ukládání dočasných fotografií vyžadujících fotomontáž. Teprve finální fotografie určená k distribuci může být uložena jako JPEG se ztrátou detailů pouze pro jednu generaci.

PNG i JPEG umožňují ukládání metadat ve formátu Exif.

Reference

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Portable Network Graphics na Wikimedia Commons
• Specifikace PNG na webu W3C
• Porovnání formátů PNG a GIF – článek na Root.cz
• Anatomie grafického formátu PNG – článek na Root.cz
• PNGOUT Malý freeware program pro maximální kompresi PNG