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Portable Network Graphics




Portable Network Graphics
Dateiendung: .png
MIME-Type: image/png[1]
Magische Zahl: 8950.4e47.0d0a.1a0a hex
\x89PNG\r\n\x1a\n[2]

(ASCII-C-Notation)

Entwickelt von: PNG Development Group (dank W3C)
Art: Verlustfreies Bitmap-Grafikformat
Erweitert zu: APNG, JNG, MNG
Standard(s): ISO 15948, IETF RFC 2083
Website: libpng.org/pub/png

Portable Network Graphics (PNG, englisch für portable Netzwerkgrafik, als Akronym auch silbisch ausgesprochen [pɪŋ]) ist ein Rastergrafikformat mit verlustfreier Datenkompression. Es ist vom World Wide Web Consortium (W3C) anerkannt und das meistverwendete verlustfreie Grafikformat im Internet.[3]

PNG wurde als freier Ersatz für das ältere, bis zum Jahr 2006 mit Patentforderungen belastete Graphics Interchange Format (GIF) entworfen und ist weniger komplex als das Tagged Image File Format (TIFF). PNG unterstützt neben unterschiedlichen Farbtiefen auch Transparenz per Alphakanal. PNG-Fotos sind in der Regel aber wesentlich größer als JPG und konnten lange Zeit nicht ohne Weiteres in Browsern dargestellt werden, so dass sie sich erst nach Jahren gegen JPG und GIF behaupten konnten.[4]

Inhaltsverzeichnis

Geschichte


Die Entwicklung des PNG-Formats begann Ende 1994, verglichen mit anderen Grafikformaten wie TIFF, GIF und JFIF (JPEG) also recht spät. Auslöser waren Lizenzforderungen der Softwarefirma Unisys für den von GIF verwendeten Lempel-Ziv-Welch-Algorithmus (LZW).

Am 4. Januar 1995 legte Thomas Boutell einen frühen Entwurf (PBF Draft 1) vor. Die erste richtige PNG-Spezifikation (Version 1.0) von Thomas Boutell und Tom Lane wurde bereits am 1. Oktober 1996 offizielle Empfehlung des World Wide Web Consortium (W3C). Am 14. Oktober 1996 erhielt PNG von der Internet Assigned Numbers Authority (IANA) den MIME-Typ image/png zugewiesen. Am 15. Januar 1997 wurde PNG von der Internet Engineering Task Force (IETF) als RFC 2083 verabschiedet. Am 31. Dezember 1998 erschien die von Adam Costello und Glenn Randers-Pehrson überarbeitete PNG-Spezifikation Version 1.1. Am 11. August 1999 veröffentlichte Glenn Randers-Pehrson schließlich die bisher letzte Version 1.2. Diese wurde am 10. November 2003 zum ISO-Standard ISO/IEC 15948:2003 erhoben und gleichzeitig zur zweiten Ausgabe der W3C-Empfehlung.

Eigenschaften


Farbmodi und Präzision

Das PNG-Format ermöglicht Graustufen-, Vollfarb- und Farbpaletten-Modus, sowie einen Graustufen- und einen Farbmodus mit Alpha-Kanal (Farb-Typen 0, 2, 3, 4 und 6).

Farbtiefen

Bei Graustufenbildern kann die Auflösung 1, 2, 4, 8 oder 16 Bit pro Pixel betragen, bei Farbbildern 8 (RGB8) oder 16 Bit (RGB16) pro Farbkanal. Farbbilder können alternativ mit dem Farbpalettenmodus mit bis zu 256 indizierten Farben gespeichert werden. Die indizierten Farben sind aus dem vollen RGB8-Spektrum frei wählbar.

Transparenz

PNG-Dateien können Transparenzinformationen enthalten, entweder in Form eines Alphakanals, als einzelne transparente Farbe oder als ergänzende Transparenzpalette zu einer vorhandenen Farbpalette, die zu jeder Palettenfarbe einen Transparenzwert enthält.

PNG unterstützt Alphakanäle mit 8 Bit oder 16 Bit Tiefe. Es handelt sich um einen Kanal mit einer zusätzlichen Information für jedes Pixel. Diese gibt in unterschiedlichen Abstufungen die Deckkraft an, wie viel vom Hintergrund eines Bildes durchscheinen soll. Ist dieser Wert 0, so scheint der Hintergrund vollständig zu 100 % durch. Wird bei einer Tiefe von 8 Bit der Maximalwert von 255 angeben (beziehungsweise 65535 bei 16 Bit), entspricht dies einer vollständigen Deckung. Der Hintergrund ist in diesem Fall nicht sichtbar.

Das PNG-Format erlaubt somit unabhängig vom Hintergrund die Kanten von Text und Bildern zu glätten. Man kann echte Schlagschatten verwenden, die im Hintergrund ausblenden.

Metadaten und Datenblöcke

PNG-Dateien sind aus verschiedenen Datenblöcken (englisch „chunks“) mit jeweils unterschiedlichen Funktionen aufgebaut, die durch eine Zeichenkette aus vier Buchstaben gekennzeichnet werden (beispielsweise tEXt für textuelle Informationen). Neben den Pflicht-Blocktypen IHDR, IDAT, PLTE und IEND, die jede Implementierung unterstützen muss, sind weitere optionale Datenblöcke standardisiert.[5] Diese können Metadaten zu den Bildinhalten und andere Zusatzinformationen enthalten, etwa zur Farbkorrektur. Diese können mit Programmen wie TweakPNG[6] bearbeitet werden. Anwendungen können auch private Datenblöcke für eigene Zwecke definieren. Adobe Fireworks verwendet PNG als Anwendungsformat und nutzt private Datenblöcke, um darin verschiedene weitere Informationen abzulegen. Dabei besteht allerdings auch Verwechslungsgefahr mit den wesentlich kleineren, normalen PNG-Dateien.

Technische Details


Dateikopf

Eine PNG-Datei beginnt immer mit der folgenden, acht Byte langen Signatur (Magische Zahl):

Byte(s) in hex Bemerkung
89
50 4E 47 ASCII-Zeichenkette „PNG“; ermöglicht die leichte Identifizierung des Dateiformats bei Textansicht oder in einem Texteditor.
0D 0A CR und LF (MS-DOS-typisches Zeilenende)
1A Das Zeichen End of File.

Dieses Byte würde die Ausgabe abbrechen, falls die Datei zum Beispiel mit dem MS-DOS-Befehl TYPE ausgegeben würde.

0A LF

Komprimierung

Die verlustfreie Datenkompression in PNG basiert auf mehreren, teils optionalen Verarbeitungsschritten. Zuerst können mit einem Vorfilter die Werte benachbarter Bildpunkte dekorreliert werden, um sie besser komprimierbar über eine Differenz zu Nachbarwerten beschreiben zu können. Dann kann mit einer Substitutionskompressionsmethode versucht werden, wiederkehrende Bildmuster zu erkennen und durch kürzere Rückverweise auf ein vorheriges Auftreten zu ersetzen. Abschließend wird eine Entropiekodierung angewendet, die Auftrittswahrscheinlichkeiten einzelner Werte ausnutzt, indem sie die Werte nach Wahrscheinlichkeit sortiert durch Codes variabler Länge ersetzt.

Das nebenstehenden „Bananenbild“ zeigt, welche Bildbereiche wie effizient komprimiert werden können.

Dekorrelation

In der Regel korreliert der Farbwert eines Bildpunktes mit Werten von Nachbarpunkten, das heißt es besteht eine Abhängigkeit oder Ähnlichkeit. Um diese Korrelationen auszunutzen, unterstützt PNG Vorfilter, die die Ausgangsdaten zunächst dekorrelieren. Dadurch werden Bildpunkte über die Differenz zu Nachbarpunkten beschrieben (Delta-Kodierung). Zu jeder Bildzeile kann eine von 5 Filtermöglichkeiten bestimmt werden (siehe unten). Die Auswahl erfolgt aus Geschwindigkeitsgründen oft heuristisch. Diese Filter ersetzen auf umkehrbare Weise die Farbwerte der Bildpunkte durch (ebenso viele, ebenso große) Differenzwerte. Dieses Differenzsignal hat in der Regel eine wesentlich geringere Dynamik, also Werte mit im Schnitt kleineren Beträgen. Diese sind von der abschließenden Entropiekodierung effektiver zu komprimieren. Je uniformer die Bildinhalte ausfallen, desto gewinnbringender funktioniert dieser Mechanismus. Bei der Dekodierung werden nach der Dekomprimierung der Daten umgekehrte Versionen der Filter angewandt, um die eigentlichen Bilddaten wiederherzustellen.

Diese Möglichkeit ist einer der Gründe für die geringe Größe von PNG-Dateien.

PNG definiert in der derzeitigen Version fünf verschiedene Filtertypen:

Nummer Name Beschreibung
0 None Keine Vorfilterung. Es wird auf den originalen Pixeldaten gearbeitet.
1 Sub Es werden die Differenzen zu dem jeweils links benachbarten Pixel verarbeitet.
2 Up Es werden die Differenzen zu dem jeweils darüber liegenden Pixel verarbeitet.
3 Average Es wird die Differenz zu dem Mittelwert aus dem darüber liegenden und dem links benachbarten Pixel gebildet.
4 Paeth Es wird aus dem links benachbarten, dem darüber liegenden und dem schräg links oben benachbarten Pixel ein sogenannter Paeth-Predictor-Wert berechnet, welcher das Pixel für die Differenzbildung bestimmt.

Manche Kodierer probieren zur Verbesserung der Kompression mehrere Filter durch. Dies ist besonders bei den zahlreichen Werkzeugen zur Optimierung der PNG-Kompression eine gängige Technik.

In vielen Fällen bietet der nach seinem Erfinder Alan W. Paeth benannte Paeth-Predictor die besten Ergebnisse. Mit diesem wird versucht, aus den links, oben und linksoben benachbarten Bildpunkten automatisch den ähnlichsten für die Differenzbildung zu nutzen. Die Funktion wählt den Bildpunkt, der links+oben−linksoben am nächsten kommt.

Substitutionskompression und Entropiekodierung

erfolgen nach dem populären Deflate-Verfahren, da dieses ohne Belastung durch Softwarepatente frei verwendbar ist. Es umfasst Substitutionskompression nach Storer, Szymanski, Lempel und Ziv (LZSS-Algorithmus) und Entropiekodierung nach Huffman.

Viele Programme binden für die Deflate-Kodierung und -Dekodierung (Codec) die freie Deflate-Bibliothek zlib ein, welche ursprünglich extra für PNG geschaffen wurde. Die Deflate-Komprimierung kann üblicherweise (wie auch in anderen Anwendungen – beispielsweise bei der ZIP-Kompression) im Ausgabeprogramm in 10 Stufen von 0 (keine) bis 9 (beste) eingestellt werden.

Bislang ist Deflate die einzige unterstützte Methode. Es ist aber absichtlich Raum für Erweiterungen gelassen worden, um in zukünftigen PNG-Versionen auch andere, effizientere oder schnellere Algorithmen zu unterstützen. Um Abwärtskompatibilität zu existierenden PNG-fähigen Programmen zu gewährleisten, ist derzeit eine Aufnahme anderer Verfahren in den Standard jedoch nicht geplant.

Kompatibilität


Farbprofile

Folgende Teile dieses Abschnitts scheinen seit 2020 nicht mehr aktuell zu sein: "bisher", "zurzeit", "Zukunft ... geplant", "aktuell" - bitte präzisieren!
Bitte hilf mit, die fehlenden Informationen zu recherchieren und einzufügen .

Bis auf Safari und Firefox (nach Aktivierung) unterstützt bisher kein Browser eingebettete Farbprofile (iCCP-Blöcke). Sie bieten daher kein vollständiges Farbmanagement. Dadurch, dass Safari als einziger Browser auch vollständige Farbprofile wiedergibt, ist eine einheitliche und plattformübergreifende Darstellung bei Bildern im PNG-Format mit eingebettetem Farbprofil zurzeit nicht möglich. Zumindest für den Browser Firefox ist diese Funktion aber für die Zukunft geplant. Eingebettete Gammakorrekturwerte (gAMA-Blöcke) hingegen werden von den meisten aktuellen Browsern fehlerfrei erkannt und verarbeitet.

Transparenz

Der Microsoft Internet Explorer hatte bis zur Version 6 Probleme mit der Darstellung von transparenten PNG-Dateien mit Alphakanal; PNG-Dateien mit binärer („ja/nein“-)Transparenz wurden jedoch fehlerfrei dargestellt.

Rechtliches


Das PNG-Format unterliegt keiner Patentbeschränkung. Jeder Softwarehersteller kann daher ohne Zahlung von Lizenzgebühren Programme veröffentlichen, die PNG lesen und schreiben können.

Vergleich


Vorteile

Nachteile

Vergleich mit Graphics Interchange Format (GIF)

Mangels Animationsmöglichkeit stellt PNG für sich eine unvollständige Alternative zum GIF-Format dar. Animationsmöglichkeiten sind bei PNG in ein eigenes Format ausgelagert. Die beiden Formate sollten zusammen GIF vollständig ersetzen; dazu kam es bis heute nicht.

Neben dem Farbpaletten-Modus unterstützt PNG zusätzlich Vollfarb- und Graustufenbilder mit einer Präzision von bis zu 16 Bit pro Farbkanal. Bei GIF ist es nur möglich, einen einzigen der Paletteneinträge als vollständig transparent zu deklarieren.

Die Kompressionsrate von PNG ist meistens besser als bei GIF. Die Vorfilter sind der Grund für den meist geringeren Platzbedarf von PNG-Dateien. Dagegen ist jedoch auch die Komplexität des Formats höher.

Bei PNGs progressivem Bildaufbau mit dem Adam7-Interlacing treten deutlich weniger Bildverzerrungen auf als bei GIF.

Bis 2004 war die Nutzung des GIF durch die Verwendung des patentbelasteten LZW-Algorithmus beschränkt, wovon PNG von Anfang an frei war. (GIF war bis Oktober 2006 noch von weiteren Patenten beschränkt.)

Verwandte Formate


Weder MNG, JNG, noch APNG oder PNG+ sind W3C-Empfehlungen.

Software


Die offizielle Referenzimplementierung für das PNG-Format ist die Programmbibliothek libpng.[9] Sie unterliegt einer Freie-Software-Lizenz und findet sich daher üblicherweise auch als wichtige Systembibliothek in freien Betriebssystemen. PNGOUT und ZopfliPNG sind bekannte auf kompakteste Komprimierung optimierte PNG-Kodierer. Es existiert eine Reihe von Hilfsprogrammen zur Dateigrößenoptimierung für PNG-Dateien, die maßgeblich wegen ihres Einsatzes für die Optimierung von Webseiten-Ladezeiten bekannt sind und oft unter anderem auf diesen beiden Spezialkodierern basieren. Viele Programme speichern PNG-Bilder nicht optimal ab, was zu unnötig großen Dateien führt. Verschiedene Programme wie beispielsweise pngcrush, OptiPNG oder andere[10] ermöglichen eine verlustfreie Neukomprimierung und oft wesentlich kleinere Dateien.

Mittlerweile unterstützen alle modernen Webbrowser das Format. Wichtige Bildbearbeitungsprogramme unterstützen es üblicherweise lesend wie auch schreibend.

Literatur


Weblinks


Commons: Portable Network Graphics  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise


  1. Image Media Types. Internet Assigned Numbers Authority, 27. September 2009, abgerufen am 6. Oktober 2010 (englisch).
  2. PNG (Portable Network Graphics) Specification, Version 1.2. 12.12. PNG file signature. 14. Juli 1999, abgerufen am 6. Oktober 2010 (englisch).
  3. Usage of image file formats for websites , englisch
  4. Sibylle Mühlke: Adobe Photoshop CC, 7. Auflage 2018, S. 1051
  5. Linux Foundation Wiki: LibPng – Specification Overview (Memento des Originals vom 5. September 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  6. Jason Summers: TweakPNG , englisch
  7. Vergleich der Eigenschaften (auch Kompression) von BMP, GIF, PNG, JPEG, TIFF, PCX und TGA , abgerufen 10. Oktober 2012
  8. Stephan T. Lavavej: Introduction to PNG. In: nuwen.net. Abgerufen am 6. Oktober 2010 (englisch).
  9. libpng. Abgerufen am 13. Juli 2013.
  10. Cosmin Truţa: A guide to PNG optimization. (mit Verzeichnis von Programmen zur verlustfreien Neukomprimierung, englisch)



Kategorien: Grafikformat | Offenes Format



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