Portable Network Graphics

Le Portable Network Graphics (PNG, prononcé « ping »^[1]) est un format ouvert d’images numériques, qui a été créé pour remplacer le format GIF, à l’époque propriétaire et dont la compression était soumise à un brevet^[Quand ?]. Le PNG est un format sans perte spécialement adapté pour publier des images simples comprenant des aplats de couleurs.

Il a été normalisé par l’ISO (ISO/CEI 15948:2004).

PNG est une spécification pour Internet et l’objet d’une Recommandation W3C et d’une RFC. Il a été créé pour contourner la licence existante sur le format GIF, le plus en vogue à la fin des années 1990, Unisys, propriétaire de deux brevets sur des algorithmes utilisés par la compression sous GIF ayant réclamé des royalties. PNG a alors été défini mais en augmentant les capacités de GIF.

PNG est particulièrement approprié lorsqu’il s’agit d’enregistrer des images synthétiques destinées au Web comme des graphiques, des icônes, des images représentant du texte (bonne conservation de la lisibilité), ou des images avec des dégradés. Le PNG surpasse régulièrement le format GIF en ce qui concerne la réduction de la taille des fichiers (avec une palette de couleurs bien choisie) ou la qualité (puisqu’il n’est pas limité à 256 couleurs).

Les caractéristiques de PNG lui permettent d’enregistrer des photographies sans perte de données, au détriment de la taille du fichier qui reste logiquement très supérieure à celle de formats avec perte de données destinés aux photographies, comme JPEG ou JPEG 2000.

PNG permet principalement d’enregistrer les images matricielles sous différents formats :

• 1 bit donc deux couleurs
• 2 bits en 4 couleurs basiques
• 4 bits permettant de choisir parmi une palette de maximum 16 couleurs contenues dans le fichier
• 8 bits en niveaux de gris (256 niveaux)
• 8 bits permettant de choisir parmi une palette de maximum 256 couleurs contenues dans le fichier (équivalent au format GIF)
• 24 bits, soit 2²⁴ ou 16 777 216 couleurs (couleurs vraies, 256 couleurs par canal).
• 32 bits, soit 2³² ou 4 294 967 296 couleurs.
• 48 bits, soit 2⁴⁸ ou 281 474 976 710 656 couleurs.

Voir l’article Image numérique pour l’explication de ces notions.

Après l’application d’un filtre prédictif qui permet généralement d’obtenir de plus hauts niveaux de compression, le tout est compressé sans pertes suivant l’algorithme deflate (RFC 1951), généralement avec zlib, mais zopfli peut également être utilisé avec des applications comme advpng.

Les composantes des pixels ou les entrées de palette sont données soit au format RVB (rouge, vert, bleu), soit au format RVBA (avec un canal alpha supplémentaire pour la translucidité). Dans ce cas, 8 ou 16 bits supplémentaires sont utilisés par pixel ou par entrée de palette, ce qui fait 16 bits pour une image en niveaux de gris, 32 bits pour une image en couleurs vraies et 64 bits pour une image en 4 canaux de 16 bits chacun.

La présence d’un canal alpha définissant différents niveaux de transparence le rend idéal pour la composition sur les pages web. Cette caractéristique est bien implémentée par la majorité des navigateurs web.

Lorsque l’image PNG utilise une palette de 256 couleurs maximum, il est possible d’utiliser une des couleurs pour la transparence.

C’est le même comportement qu’avec le format GIF et cela fonctionne même avec Internet Explorer 6. Par conséquent, les images Web au format GIF peuvent être converties en cette version de PNG sans crainte d’incompatibilité avec la majorité des navigateurs web actuels (premier trimestre 2006), et sans souci de brevet (le brevet GIF est entré en 2006 dans le domaine public).

Le PNG, d’ailleurs parfois appelé par récursivité PNG’s Not GIF (PNG n’est pas GIF), peut faire tout ce que le format GIF peut faire et même plus, comme la translucidité. Il n’a cependant pas été prévu pour faire des images animées, mais le format dérivé MNG a été créé par ses auteurs à cet effet (voir également le format APNG).

Les deux formats peuvent être entrelacés, mais PNG utilise l'algorithme Adam7 tandis que GIF affiche dans ce cas l'image ligne par ligne.

1. signature PNG - 8 octets
2. chunk IHDR pour l'en-tête - 13 octets
3. chunk IDAT pour les données - longueur variable
4. chunk IEND pour la fin de fichier - 12 octets

Un « chunk » est un gros morceau du fichier, un fragment d'information constituant une entité. Ce terme anglais est utilisé dans de nombreux formats multimédias.

Un fichier peut contenir plusieurs chunks de données IDAT ainsi qu'un chunk PLTE pour la palette à utiliser s'il s'agit d'une image dont les couleurs sont indexées.

Un fichier peut également contenir d'autres chunks secondaires, dont des informations textuelles.

Un fichier PNG commence par une signature de 8 octets représenté par les valeurs décimales suivantes : 137 80 78 71 13 10 26 10, ou en hexadécimal: 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A.

La suite du fichier est décomposée en plusieurs parties de longueurs variables, appelées chunk.

Il existe 18 chunks officiels, dont 4 principaux et 14 secondaires^[2].

Les chunks sont étiquetés (nommés). La casse est importante dans les noms des chunks. Chaque étiquette est définie par quatre caractères successifs, définissant un code mnémonique, sous forme de fourCC. Pour chaque chunk, si la première lettre de son nom est en capitale il s'agit d'un chunk critique, sinon c'est un chunk auxiliaire^[3].

Voici un tableau regroupant les chunks les plus utilisés (les quatre principaux en tête) :

Nom	Description	Contient	Importance	Occurrence
IHDR	Image header En-tête du fichier	Largeur de l'image en pixels Hauteur de l'image en pixels Profondeur de bits (1, 2, 4, 8 ou 16) Type de couleur (0, 2, 3, 4, ou 6) Méthode de compression (0) Méthode de filtrage (0) Méthode d'entrelacement : 0 (sans) ou 1 (avec Adam7)	Obligatoire	Après la signature PNG
PLTE	Palette Palette de l'image	Table des couleurs	Facultatif	Entre IHDR et le 1er chunk IDAT
IDAT	Image data Bloc de données	Données de l'image	Obligatoire	Entre IHDR ou PLTE et IEND
IEND	Image trailer Fin du fichier	néant	Obligatoire	En dernier
tIME	Image last-modification time Horodatage		Facultatif	N'importe où
iTXt	International textual data Info textuelle internationale (peut-être compressée zlib)		Facultatif	N'importe où
tEXt	Textual data Info textuelle non-compressée		Facultatif	N'importe où
zTXt	Compressed textual data Info textuelle compressée (zlib)		Facultatif	N'importe où

Les autres dix chunks secondaires sont :

bKGD Background colour	pHYs Physical pixel dimensions
cHRM Primary chromaticities and white point	sBIT Significant bits
gAMA Image gamma	sPLT Suggested palette
hIST Image histogram	sRGB Standard RGB colour space
iCCP Embedded ICC profile	tRNS Transparency

D'autres chunks peuvent également être définis. Ils sont soit publics, soit privés, mais doivent répondre au règles de nommage^[3]. Un chunk public doit avoir été enregistré auprès du W3C, l'autorité désignée par l'ISO/IEC^[4].

Voici les chunks publics en usage^[5] :

dSIG Digital Signature	oFFs Image offset
eXIf Exchangeable Image Format (Exif) Profile	pCAL Calibration of pixel values
fRAc Fractal image parameters	sCAL Physical scale of image subject
gIFg GIF Graphic Control Extension	sTER Indicator of Stereo Image
gIFx GIF Application Extension

Un chunk est composé de 4 parties:

LENGTH	TYPE	DATAS	CRC
Longueur des données	Type de chunk	Données dont la longueur en octets est spécifiée dans LENGTH	Contrôle
4 octets	4 octets	n octets	4 octets

LENGTH : La taille en octets du chunk, seulement ses datas. On ne prend pas en compte la taille, le type, ni le CRC.

TYPE : Le nom du chunk (ex : IHDR, IDAT, IEND, etc.).

DATAS : Les informations relatives au chunk sur n octets (relatif à LENGTH).

CRC : 4 octets de contrôle généré en utilisant l'algorithme suivant :

fonction maj_crc((entier positif 4 octets) crc, (entier positif 1 octet) bloc(), (entier positif 4 octets) taille)
 //le premier argument, crc, lors du premier appel de cette fonction pour un chunk donné, doit être 0xffffffff (tous les bits à 1)
 //sinon, il doit s'agir de la valeur retournée par le précédent appel de cette fonction

 //le deuxième argument, bloc(), est une liste d'éléments d'un octet. Il s'agit de tout ou partie du chunk

 //le troisième argument, taille, est le nombre d'éléments de la liste bloc()

 (entier positif 4 octets) c, n, v
 c=crc

 pour n de 0 à (taille-1)
  //normalement, cette boucle ne contient qu'une seule instruction mais, ici, elle est subdivisée en quatre instructions. C'est plus lisible ainsi
 //il y a une itération de cette boucle pour chacun des octets de la partie DATA du chunk, dans l'ordre de leurs positions dans le chunk

  //xb=ou exclusif bit à bit
  v=c xb bloc(n)

  //eb=et bit à bit; tout nombre préfixé par 0x est en base 16
  //on met à 0 les bits des trois premiers octets, vu que leur valeur ne dépend pas de celle de bloc(n)
  v=v eb 0xff

  //table_crc() est une liste de 256 constantes, des entiers codés sur quatre octets (voir ci-dessous)
  v=table_crc(v)

  //div=division entière
  c=v xb (c div 256)
 fin pour

 retourner c
fin fonction

Une fois tout le chunk parcouru, la valeur renvoyée par le dernier appel de maj_crc() n'est pas celle du crc. il faut encore inverser la valeur de chaque bit :

fonction validation_crc((entier positif 4 octets) crc)
 retourner (crc xb 0xffffffff)
fin fonction

La liste table_crc() se trouvant dans maj_crc() est constituée de valeurs arbitraires mais calculables. certaines implémentations listent ces valeurs (alors calculées à l'avance) et les stockent directement dans la variable tandis que d'autres contiennent l'algorithme (généralement une fonction) permettant de les calculer :

fonction calcul_table_crc()

 (entier positif 4 octets) c, i, j

 pour i de 0 à 255
  c=i

  //8 itérations
  pour j de 0 à 7

   //retourne 0 (faux) si c est pair et 1 (vrai) si c est impair (en dehors du dernier,tous les bits du résultat sont à 0)
   si (c eb 1)
    //la valeur 0xedb88320 (11101101 10111000 10001100 00100000 en binaire et 3 988 292 384 en décimal) est arbitraire
    //c étant, dans ce cas, nécessairement impair, c div 2 équivaut à (c-1)/2

    c=0xedb88320 xb (c div 2)

   sinon
    c=c/2

   fin si
  fin pour

  table_crc(i)=c
 fin pour

fin fonction

L'exemple du chunk IHDR est constitué des données binaires, représentées ici en hexadécimal, suivantes :

00 00 00 0D 49 48 44 52 00 00 03
20 00 00 02 58 10 06 00 00 00 15
14 15 27

Ces données sont à interpréter selon le tableau.

Données (en héxadécimal)	Description	Valeur (en décimal)
00 00 00 0D	Longueur des données	13
49 48 44 52	Type/nom du chunk	IHDR
00 00 03 20	Largeur	800
00 00 02 58	Hauteur	600
10	Profondeur de bits	16
06	Type de couleur	6
00	Méthode de compression	0
00	Méthode de filtrage	0
00	Méthode d'entrelacement	0
15 14 15 27	CRC	353637671

La méthode de compression 0 spécifiée dans IHDR (la seule possible au format PNG) fait référence à la compression Deflate/Inflate. La compression se fait sur les datas du chunk IDAT uniquement.

La compression peut être effectuée grâce à la bibliothèque zlib (C/C++). Il est aussi possible de générer le CRC grâce à cette bibliothèque.

• Format ouvert
• Image numérique
• Image matricielle

Autres formats :

• GIF
• JPEG
• WebP
• TIFF
• BMP
• APNG
• JNG
• MNG

• (fr) La page francophone du format PNG
• (en) Page du PNG - Sur le W3C
• (en) Page officielle du format PNG
• (fr) Page d’explication de Microsoft - Sur la manière d'utiliser le PNG dans un site pour qu’il soit lu par Internet Explorer

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