PNG

3. 기술 개요

PNG는 이미지의 색상 모델(Color model)로서 최대 16비트의 그레이스케일, 24비트 및 48비트의 RGB, 또는 8비트까지의 인덱스 색상 모드(팔레트 색상)를 사용할 수 있다. 투명도는 크로마키를 통한 투명도 지정 및 8비트에서 16비트의 알파 채널을 지원한다. 또한 이미지에 부속되는 텍스트 등의 메타데이터나 감마 값 등도 이미지마다 기록할 수 있다.

PNG 이미지의 픽셀은 팔레트의 샘플 데이터 인덱스이거나 샘플 데이터 자체일 수 있다. 팔레트는 별도의 테이블(PLTE 청크)에 포함된다. 단일 픽셀에 대한 샘플 데이터는 1개에서 4개 사이의 숫자로 구성된 튜플로 구성된다. 픽셀 데이터가 팔레트 인덱스를 나타내는지, 명시적 샘플 값을 나타내는지에 관계없이 숫자는 채널이라고 하며, 이미지의 모든 숫자는 동일한 형식으로 인코딩된다.

허용되는 형식은 각 숫자를 고정된 비트 수를 사용하여 부호 없는 정수 값으로 인코딩하는 것이며, PNG 규격에서는 이를 ''비트 심도''라고 한다. 허용되는 비트 심도는 채널당 1, 2, 4, 8, 16비트이다.

채널 수는 이미지가 회색조인지 컬러인지, 알파 채널이 있는지에 따라 다르다. PNG는 ''색상 유형''이라고 하는 채널의 다음 조합을 허용한다.

색상 유형 및 비트 심도의 허용 조합은 다음과 같다.^[11]

3. 1. 파일 구조

청크는 길이(4 바이트,^[9] 빅 엔디안), 청크 유형/이름(4 바이트^[10]), 청크 데이터(길이 바이트) 및 CRC(4 바이트^[9])의 네 부분으로 구성된다. CRC는 청크 유형과 청크 데이터를 기반으로 계산된 네트워크 바이트 순서 CRC-32이지만 길이는 제외한다.

청크 유형은 네 글자 대소문자를 구분하는 ASCII 유형/이름으로 제공된다. FourCC를 참고하라. 이름의 다른 글자 대소문자(문자의 숫자 값의 비트 5)는 비트 필드로, 디코더에게 인식하지 못하는 청크의 특성에 대한 정보를 제공한다.

첫 번째 글자의 대소문자는 청크가 필수인지 여부를 나타낸다. 첫 번째 글자가 대문자이면 청크는 필수이며, 그렇지 않으면 청크는 보조이다. 필수 청크에는 파일을 읽는 데 필요한 정보가 포함되어 있다. 디코더가 인식하지 못하는 필수 청크를 만나면 파일 읽기를 중단하거나 사용자에게 적절한 경고를 제공해야 한다.

PNG 파일을 읽고 렌더링하려면 디코더가 필수 청크를 해석할 수 있어야 한다.

• `IHDR`은 첫 번째 청크여야 하며, 다음 정보를 (이 순서대로) 포함한다.
• 너비 (4바이트)
• 높이 (4바이트)
• 비트 심도 (1바이트, 값 1, 2, 4, 8 또는 16)
• 색상 유형 (1바이트, 값 0, 2, 3, 4 또는 6)
• 압축 방식 (1바이트, 값 0)
• 필터 방식 (1바이트, 값 0)
• 인터레이스 방식 (1바이트, 값 0 "인터레이스 없음" 또는 1 "Adam7 인터레이스") (총 13바이트 데이터).^[11]

• `PLTE`는 팔레트를 포함한다. 즉, 색상 목록이다.
• `IDAT`는 여러 IDAT 청크로 분할될 수 있는 이미지를 포함한다. 이러한 분할은 파일 크기를 약간 증가시키지만 스트리밍 방식으로 PNG를 생성할 수 있게 해준다. IDAT 청크는 압축 알고리즘의 출력 스트림인 실제 이미지 데이터를 포함한다.
• `IEND`는 이미지 끝을 나타낸다. IEND 청크의 데이터 필드는 0바이트이거나 비어 있다.

3. 2. 파일 헤더

이러한 시그니처는 PNG 파일이 8비트 데이터를 지원하고, 텍스트 파일과 구분되며, 다양한 운영 체제에서 올바르게 줄바꿈을 처리할 수 있도록 보장한다.

3. 3. 청크 (Chunk)

• 길이(Length): 청크의 길이를 나타내는 4바이트 빅 엔디안 값이다. 청크 타입, 청크 데이터, CRC의 길이를 모두 포함한다.
• 청크 타입(Chunk Type): 청크의 종류를 나타내는 4바이트 ASCII 문자열이다. 대소문자를 구분하며, 각 문자는 특정한 의미를 가진다. FourCC를 참조한다.
• 청크 데이터(Chunk Data): 청크의 실제 데이터를 포함한다. 데이터의 길이는 '길이' 필드에 명시된다.
• CRC(Cyclic Redundancy Check): 청크의 무결성을 검사하기 위한 4바이트 CRC-32 값이다. 청크 타입과 청크 데이터를 기반으로 계산되며, 길이는 포함되지 않는다.

• 첫 번째 문자: 청크의 필수 여부를 나타낸다.
• 대문자: 필수 청크(Critical Chunk) - 파일을 읽는 데 필수적인 정보를 포함한다.
• 소문자: 보조 청크(Ancillary Chunk) - 파일 읽기에 필수적이지 않은 추가 정보를 포함한다.
• 두 번째 문자: 청크의 공개 여부를 나타낸다.
• 대문자: 공개 청크(Public Chunk) - PNG 표준 사양에 정의되어 있거나 특수 목적 공개 청크 레지스트리에 등록된 청크이다.
• 소문자: 비공개 청크(Private Chunk) - 표준 사양에 정의되지 않은 청크이다.
• 세 번째 문자: PNG 표준에 따라 항상 대문자여야 한다. 미래 확장을 위해 예약된 문자이다.
• 네 번째 문자: 청크의 복사 가능 여부를 나타낸다.
• 소문자: 안전하게 복사 가능(Safe-to-copy) - 파일이 수정되어도 해당 청크를 안전하게 복사할 수 있다.
• 대문자: 복사 불가능(Not safe-to-copy) - 파일이 수정되면 해당 청크를 복사할 수 없다.

3. 3. 1. 필수 청크

• `IHDR`는 첫 번째 청크로 와야 한다. 여기에는 이미지의 너비, 높이, 비트 수와 컬러 타입을 순서대로 표시한다.^[92]
• `PLTE`는 팔레트, 즉 색공간을 표시한다.
• `IDAT`는 여러 개의 IDAT 청크로 쪼개질 수 있는 이미지를 표시한다. 파일 크기가 약간 커지긴 하지만 PNG를 스트리밍 방식으로 전달할 수 있게 만든다. IDAT는 압축 알고리즘의 출력 스트림을 통한 실제 이미지 파일을 갖고 있다.^[93]
• `IEND`는 이미지의 끝을 표시한다.

• **너비 (4바이트)
• **높이 (4바이트)
• **비트 심도 (1바이트, 값 1, 2, 4, 8 또는 16)
• **색상 유형 (1바이트, 값 0, 2, 3, 4 또는 6)
• **압축 방식 (1바이트, 값 0)
• **필터 방식 (1바이트, 값 0)
• **인터레이스 방식 (1바이트, 값 0 "인터레이스 없음" 또는 1 "Adam7 인터레이스") (총 13바이트 데이터).^[11]

`IEND`는 이미지 끝을 나타낸다. IEND 청크의 데이터 필드는 0바이트이거나 비어 있다.

3. 3. 2. 보조 청크

• `bKGD`: 기본 배경색을 지정한다. 독립 실행형 이미지 뷰어 등 더 나은 옵션이 없을 때 사용된다.
• `cHRM`: 디스플레이 기본 색상 및 백색점의 색도 좌표를 제공한다.^[12]
• `cICP`: ITU-T H.273에 정의된 색 공간, 전송 함수 및 행렬 계수를 지정하며, HDR 이미지에 사용된다.^[13]
• `dSIG`: 디지털 서명을 저장한다.^[14]
• `eXIf`: Exif 메타데이터를 저장한다.^[15]
• `gAMA`: 감마 보정을 지정한다. gAMA 청크는 4바이트로, 감마 값에 100,000을 곱한 정수 값을 저장한다. (예: 감마 1/3.4는 29412로 저장).^[11]
• `hIST`: 이미지 각 색상의 히스토그램 또는 총량을 저장한다.
• `iCCP`: ICC 색상 프로파일을 포함한다.
• `iTXt`: 키워드와 UTF-8 텍스트를 포함하며, 압축 및 번역을 위해 IETF 언어 태그로 표시된다. XMP는 이 청크를 'XML:com.adobe.xmp' 키워드와 함께 사용한다.
• `pHYs`: 의도된 픽셀 크기(또는 픽셀 종횡비)를 유지한다. pHYs는 "단위당 픽셀, X축"(4바이트), "단위당 픽셀, Y축"(4바이트), "단위 지정자"(1바이트)를 포함하여 총 9바이트이다.^[11]
• `sBIT`: 소스 데이터의 색상 정확도를 나타낸다. 색상 유형에 따라 1~5바이트를 포함한다.^[16]
• `sPLT`: 전체 색상 범위를 사용할 수 없을 때 사용할 팔레트를 제안한다.
• `sRGB`: 표준 sRGB 색상 공간이 사용됨을 나타낸다. sRGB 청크는 1바이트로, 렌더링 의도(0, 1, 2, 3)를 나타낸다.^[17]
• `sTER`: 입체경 이미지에 대한 스테레오 이미지 표시기 청크이다.^[18]
• `tEXt`: ISO/IEC 8859-1 텍스트를 저장하며, 각 청크당 하나의 키-값 쌍을 갖는다. 키는 1~79자, 구분 기호는 널 문자, 값은 최대 허용 청크 크기까지 가능하다.
• `tIME`: 이미지가 마지막으로 변경된 시간을 저장한다.
• `tRNS`: 투명도 정보를 포함한다. 인덱스된 이미지의 경우 하나 이상의 팔레트 항목에 대한 알파 채널 값을, 트루컬러 및 그레이스케일 이미지의 경우 완전히 투명한 단일 픽셀 값을 저장한다.
• `zTXt`: `tEXt`와 동일한 제한으로 압축된 텍스트(및 압축 방법 마커)를 포함한다.

• acTL - 애니메이션 PNG임을 나타내며, 총 프레임 수나 루프 횟수를 보존한다.
• fcTL - 애니메이션 PNG의 프레임 제어 정보를 보존한다.
• fdAT - 애니메이션 PNG의 프레임 이미지 데이터를 보존한다.

3. 4. 픽셀 포맷

색상 유형 및 비트 심도의 허용 조합은 다음과 같다.^[11]

3. 5. 투명도

3. 6. 압축

• 사전 압축: 필터링(예측)
• 압축: DEFLATE

3. 6. 1. 필터링

• A: 왼쪽 픽셀의 바이트 값
• B: 위쪽 픽셀의 바이트 값
• C: 왼쪽 위 픽셀의 바이트 값

3. 7. 인터레이싱

4. 애니메이션

5. 다른 포맷과의 비교

PNG는 다른 이미지 포맷들과 비교했을 때 몇 가지 장단점을 가진다.

• '''GIF와의 비교:''' 작은 이미지의 경우 GIF가 PNG보다 더 나은 압축을 제공할 수 있지만, 대부분의 경우 PNG의 압축률이 더 높다.^[37] PNG는 GIF의 단색 투명층과 달리 8비트 알파 채널을 이용한 다양한 투명층을 지원하며,^[33] 256색까지만 지원하는 GIF와 달리 트루 컬러를 지원하여 더 풍부한 색상을 표현할 수 있다.^[33] GIF는 애니메이션을 기본 지원하지만, PNG는 별도의 확장 기능을 통해서만 가능하다.
• '''JPEG와의 비교:''' JPEG는 사진과 같이 부드러운 색상 변화가 많은 이미지에 적합하며, 비가역 압축 방식을 사용하여 PNG보다 파일 크기를 작게 만들 수 있다. 하지만 JPEG는 압축 과정에서 이미지에 잡티가 생길 수 있고, 반복 저장 시 화질 저하가 발생한다. 반면 PNG는 무손실 압축 방식으로 이미지 품질을 유지하며, 특히 문자나 날카로운 경계가 있는 이미지 압축에 효과적이다.

• '''WebP, AVIF와의 비교:''' WebP는 구글이 개발한 포맷으로, PNG, JPEG, GIF를 대체하기 위해 만들어졌다. WebP는 손실 압축과 무손실 압축을 모두 지원하며, 애니메이션도 지원한다. WebP는 PNG보다 파일 크기를 더 줄일 수 있어 웹 로딩 속도를 높이는 데 유리하다.^[40] 하지만 WebP는 일부 이미지 편집 프로그램이나 소셜 미디어와 호환되지 않고, 모든 웹 브라우저에서 지원되지 않는다는 단점이 있다.^[41][42]

5. 1. GIF와의 비교

• 대부분의 경우 PNG는 GIF보다 압축률이 높다.^[37]
• GIF의 단색 투명층과 달리 PNG는 8비트 알파 채널을 이용한 다양한 투명층을 지원한다.^[33]
• 256색까지 지원하는 GIF와 달리 PNG는 트루 컬러를 지원한다.^[33]
• GIF에서는 제공되는 컴퓨터 애니메이션을 PNG는 지원하지 않는다. (대안으로 PNG에 기반한 APNG, JNG, MNG와 같은 파일 형식이 제안되었다.)
• 작은 이미지의 경우, GIF는 PNG보다 더 나은 압축을 달성할 수 있다.
• PNG 형식에서 GIF로 이미지를 변환할 때 PNG 이미지가 256개 이상의 색상을 가지고 있다면 포스터화로 인해 이미지 품질이 저하될 수 있다.
• GIF와 비교하면 압축/전개에 다소 시간이 걸리지만, 용량은 GIF보다 작기 때문에 전송 시간 단축을 고려하면 큰 문제가 되지 않는다.
• 인터레이스 GIF와 인터레이스 PNG를 비교하면, 인터레이스 PNG가 압축률이 낮다.
• 인터레이스 형식의 알고리즘이 다르며, GIF보다 빠른 단계에서 전체적인 모습이 보인다.

5. 2. JPEG와의 비교

5. 3. WebP, AVIF와의 비교

6. 소프트웨어 지원

PNG 형식은 어도비 포토샵, 코렐의 포토-페인트 및 페인트 샵 프로, GIMP, 그래픽컨버터 등 많은 그래픽 프로그램에서 널리 지원된다.^[49] libpng는 PNG 형식의 공식 참조 구현 프로그래밍 라이브러리이며, 관대한 자유 소프트웨어 라이선스 조건에 따라 자유 소프트웨어로 배포되어 자유 운영 체제에서 중요한 시스템 라이브러리로 사용된다.

PNG 아이콘은 1999년 이후 GNOME과 같은 데스크톱 환경을 포함한 대부분의 리눅스 배포판에서 지원되었으며,^[68] 2006년에는 윈도우 비스타에서 마이크로소프트 윈도우의 PNG 아이콘 지원이 도입되었다.^[69] AmigaOS 4, AROS, macOS, iOS, MorphOS에서도 PNG 아이콘이 지원되며, 안드로이드는 PNG를 광범위하게 사용한다.

6. 1. PNG 지원 주요 소프트웨어

6. 2. 웹 브라우저 지원

2000년대에 압도적인 점유율을 자랑했던 인터넷 익스플로러는 버전 6까지 알파 채널을 가진 PNG 이미지를 제대로 렌더링하지 못했다. 2006년 11월에 출시된 버전 7에서 정확하게 렌더링할 수 있게 되었다.

PNG는 GIF와 마찬가지로 1색 투과도 처리가 가능하며, 이 기능은 Internet Explorer 5에서도 지원되었다. 또한 IE5.5는 알파 채널이 있는 PNG를 제대로 표시할 수 있는 ActiveX 플러그인 (AlphaImageLoader)을 탑재하고 있어, 이 기능을 사용하도록 HTML 파일에 기술하면 표시할 수 있었다. 그러나 IE 설정에 따라 알파 채널로 작동하지 않으며, 다른 브라우저와의 호환성을 고려하면 굳이 이 기능을 이용할 가치는 거의 없었다.

PNG는 지원 브라우저의 증가와 함께 보급되었다.

6. 3. 파일 크기 최적화

• 색상 수 제한: GIF는 256색만 지원하는 반면, PNG는 트루 컬러 이미지를 저장할 때 원본 색상을 모두 저장한다.
• 메타데이터: PNG 파일에는 메타데이터가 추가될 수 있다. (예: 어도비 파이어웍스)
• 압축 알고리즘 구현: 어도비 포토샵의 일부 구 버전은 PNG 압축 알고리즘을 제대로 구현하지 못했다.

• OptiPNG
• pngcrush

• 색상 깊이: 픽셀당 1~64비트까지 가능하다.
• 보조 청크: PNG는 메타데이터를 지원하며, 이는 편집에는 유용하지만 웹사이트 등에서는 불필요할 수 있다.
• 인터레이싱: Adam7 알고리즘의 각 패스가 개별적으로 필터링되므로 파일 크기가 증가할 수 있다.^[37]
• 필터: 사전 압축 단계로서 각 행은 예측 필터로 필터링되며, 이는 행마다 변경될 수 있다.
• 압축: 추가적인 계산을 통해 DEFLATE 압축기는 더 작은 파일을 생성할 수 있다.

• (선택 사항) 보조 청크 제거
• 색상 심도 감소
• 줄별 필터 선택 최적화
• DEFLATE 압축 최적화

• pngcrush
• AdvanceCOMP 패키지의 advpng
• pngout
• zopflipng

zopflipng가 사용 가능해지기 전에는 png 최적화를 위해 두 가지 도구를 순차적으로 조합하여 사용하는 것이 일반적이었다.

대부분의 PNG 최적화 도구는 PNG 파일에서 모든 색상 보정 데이터(감마, 화이트 밸런스, ICC 색상 프로필, 표준 RGB 색상 프로필)를 제거하는 기능을 가지고 있다. 예를 들어, pngcrush를 사용하여 이를 수행하는 명령은 다음과 같다.

`pngcrush -rem gAMA -rem cHRM -rem iCCP -rem sRGB ''InputFile.png'' ''OutputFile.png''`

pngcrush, pngout, zopflipng는 모두 필터 유형을 선택하는 옵션을 제공한다. Zopflipng는 필터링을 최적화하기 위한 무차별 대입 검색을 포함하여 3가지의 서로 다른 적응형 방법을 제공한다.^[77]

Zopfli와 LZMA SDK는 성능 저하를 대가로 데이터 압축률이 zlib 참조 구현보다 높은 DEFLATE 구현을 제공한다.

올바르게 인코딩 처리하여 메타데이터를 포함하지 않도록 생성된 PNG 이미지는 동일하게 처리하여 생성된 GIF 이미지보다 작아진다.

인터레이스 PNG는 인터레이스 GIF에 비해 압축률이 낮아 파일 사이즈가 커지는 경우가 많다. 또한, 인터레이스 PNG는 일반 PNG보다 파일 사이즈가 커지기 쉽다.

소프트웨어에 따라 출력되는 PNG 파일의 사이즈는 반드시 최적화되지 않으므로, 파일 사이즈를 줄이기 위해서는 PNG 최적화 소프트웨어 등으로 PNG 파일을 최적화하는 것이 좋다.

7. 같이 보기

• libpng
• 그래픽 파일 형식 비교

참조

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_[76] 문서 Advpng can only apply filter 0 globally, thus it's neither yes or no, but N/A.
_[77] 문서 pngcrush|pngout -f OR zopflipng --filters
_[78] 문서 zopflipng --filters=p
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