PNG 画像の最小構成エンコーダを実装する

PNG signature

PNG signature は、PNG 画像の先頭に固定で付与されるバイト列で、8 バイトからなる。

1. 0x89
2. 0x50 (ASCII コードで「P」)
3. 0x4E (ASCII コードで「N」)
4. 0x47 (ASCII コードで「G」)
5. 0x0D (ASCII コードで CR)
6. 0x0A (ASCII コードで LF)
7. 0x1A (ASCII コードで EOF)
8. 0x0A (ASCII コードで LF)

CRLF や LF は、送信中に改行コードの変換が誤っておこなわれていないかどうかを検知するのに使われる。

writeSignature の実装はこちら:

import "encoding/binary"

func writeSignature(w io.Writer) {
	sig := [8]uint8{
		0x89,
		0x50, // P
		0x4E, // N
		0x47, // G
		0x0D, // CR
		0x0A, // LF
		0x1A, // EOF (^Z)
		0x0A, // LF
	}
	binary.Write(w, binary.BigEndian, sig)
}

encoding/binary パッケージの binary.Write を使い、固定の 8 バイトを書き込む。

Chunk の構造

IHDR chunk に進む前に、chunk 一般の構造を確認する。

1. Length: chunk data のバイト長 (符号なし 4 バイト整数)
2. Chunk type: chunk の種類を示す 4 バイトからなる名前
3. Chunk data: 実際のデータ。0 バイトでもよい
4. CRC: chunk type と chunk data の CRC (符号なし 4 バイト整数)

CRC (Cyclic Redundancy Check) は誤り検出符号の一種。Go 言語では hash/crc32 パッケージにあるが、今回はこれも自前で実装する。PNG の仕様書に C 言語のサンプルコードが載っている (D. Sample CRC implementation) ので、これを Go に移植する。

var (
	crcTable         [256]uint32
	crcTableComputed bool
)

func makeCrcTable() {
	for n := 0; n < 256; n++ {
		c := uint32(n)
		for k := 0; k < 8; k++ {
			if (c & 1) != 0 {
				c = 0xEDB88320 ^ (c >> 1)
			} else {
				c = c >> 1
			}
		}
		crcTable[n] = c
	}
	crcTableComputed = true
}

func updateCrc(crc uint32, buf []byte) uint32 {
	if !crcTableComputed {
		makeCrcTable()
	}

	c := crc
	for n := 0; n < len(buf); n++ {
		c = crcTable[(c^uint32(buf[n]))&0xFF] ^ (c >> 8)
	}
	return c
}

func crc(buf []byte) uint32 {
	return updateCrc(0xFFFFFFFF, buf) ^ 0xFFFFFFFF
}

できた crc 関数を使って、chunk 一般を書き込む関数も用意しておこう。

func writeChunk(w io.Writer, chunkType string, data []byte) {
	typeAndData := make([]byte, 0, len(chunkType)+len(data))
	typeAndData = append(typeAndData, []byte(chunkType)...)
	typeAndData = append(typeAndData, data...)

	binary.Write(w, binary.BigEndian, uint32(len(data)))
	binary.Write(w, binary.BigEndian, typeAndData)
	binary.Write(w, binary.BigEndian, crc(typeAndData))
}

仕様どおり、chunkType と data から CRC を計算し、data の長さと合わせて書き込んでいる。 PNG では基本的に big endian を使うことに注意する。

準備ができたところで、具体的な chunk をエンコードしていく。

IHDR chunk

IHDR chunk は最初に配置される chunk である。次のようなデータからなる。

1. 画像の幅 (符号なし 4 バイト整数)
2. 画像の高さ (符号なし 4 バイト整数)
3. ビット深度 (符号なし 1 バイト整数)
   • 1 色に使うビット数。1 ピクセルに 24 bit 使う truecolor 画像では 8 になる
4. 色タイプ (符号なし 1 バイト整数)
   • 0: グレースケール
   • 2: Truecolor (今回はこれに決め打ち)
   • 3: パレットのインデックス
   • 4: グレースケール + アルファ
   • 6: Truecolor + アルファ
5. 圧縮方式 (符号なし 1 バイト整数)
   PNG の仕様書に 0 しか定義されていないので 0 で固定
6. フィルタ方式 (符号なし 1 バイト整数)
   PNG の仕様書に 0 しか定義されていないので 0 で固定
7. インターレース方式 (符号なし 1 バイト整数)
   今回はインターレースしないので 0

今回ほとんどのデータは決め打ちするので、データに応じて変わるのは width と height だけになる。コードは次のようになる。

import "bytes"

func writeChunkIhdr(w io.Writer, width, height uint32) {
	var buf bytes.Buffer
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, width)
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, height)
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(8))
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(2))
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(0))
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(0))
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(0))

	writeChunk(w, "IHDR", buf.Bytes())
}

IDAT chunk

IDAT chunk は、実際の画像データが格納された chunk である。IDAT chunk は deflate アルゴリズムにより圧縮され、zlib 形式で格納される。

const adler32Base = 65521

func updateAdler32(adler uint32, buf []byte) uint32 {
	s1 := adler & 0xFFFF
	s2 := (adler >> 16) & 0xFFFF

	for n := 0; n < len(buf); n++ {
		s1 = (s1 + uint32(buf[n])) % adler32Base
		s2 = (s2 + s1) % adler32Base
	}
	return (s2 << 16) + s1
}

func adler32(buf []byte) uint32 {
	return updateAdler32(1, buf)
}

func encodeZlib(data []byte) []byte {
	var buf bytes.Buffer

	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(0x78))
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, uint8(0x01))
	blockSize := 65535
	isFinalBlock := false
	for i := 0; !isFinalBlock; i++ {
		var block []byte
		if len(data) <= (i+1)*blockSize {
			block = data[i*blockSize:]
			isFinalBlock = true
		} else {
			block = data[i*blockSize : (i+1)*blockSize]
		}
		binary.Write(&buf, binary.BigEndian, isFinalBlock)
		binary.Write(&buf, binary.LittleEndian, uint16(len(block)))
		binary.Write(&buf, binary.LittleEndian, uint16(^len(block)))
		binary.Write(&buf, binary.LittleEndian, block)
	}
	binary.Write(&buf, binary.BigEndian, adler32(data))

	return buf.Bytes()
}

func writeChunkIdat(w io.Writer, width, height uint32, img image.Image) {
	var pixels bytes.Buffer
	for y := uint32(0); y < height; y++ {
		binary.Write(&pixels, binary.BigEndian, uint8(0))
		for x := uint32(0); x < width; x++ {
			r, g, b, _ := img.At(int(x), int(y)).RGBA()
			binary.Write(&pixels, binary.BigEndian, uint8(r))
			binary.Write(&pixels, binary.BigEndian, uint8(g))
			binary.Write(&pixels, binary.BigEndian, uint8(b))
		}
	}

	writeChunk(w, "IDAT", encodeZlib(pixels.Bytes()))
}

IEND chunk

最後に IEND chunk を書き込む。これは PNG 画像の最後に配置される chunk で、PNG のデコーダはこの chunk に出会うとそこでデコードを停止する。

特に追加のデータはなく、必要なのは chunk type の IEND くらいなので実装は簡単:

func writeChunkIend(w io.Writer) {
	writeChunk(w, "IEND", nil)
}