Portable Network Graphics

Portable Network Graphics
	; 上は、8ビット透明チャネルを含むPNG画像。下は、同じ画像を市松模様の背景の上に重ねたもの。市松模様は透明であることを示すためにグラフィックエディタなどでよく用いられる。
拡張子	.png
MIME Type	image/png
タイプコード	PNGf; PNG;
UTI	public.png
開発者	W3C
種別	可逆圧縮ビットマップ画像
包含物	画像、テキスト
拡張	APNG、JNG、MNG
国際標準	ISO 15948、IETF RFC 2083
	表・話・編・歴

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Portable Network Graphics（ポータブル・ネットワーク・グラフィックス）、略称PNG、はコンピュータ上で扱われる画像を格納するためのファイルフォーマットの一つ。PNGの読み方は「ピング[/pɪŋ/]」（pingと同じ発音）^[1]。

[編集] 概説

Deflateを利用した可逆圧縮の画像ファイルフォーマット。既存のGIFの機能を拡張、さらにネットワーク経由での使用を想定した機能強化が図られている。ブラウザやグラフィックソフトでのサポートも進み、インターネットを中心に利用が広がっている。

最大16ビットのグレイスケール、24ビットと48ビットのRGBフルカラー、8ビット、または16ビットのアルファチャンネル、さらに最大8ビットのインデックスカラーモードをサポートする。画像に付属するテキストなどのメタデータやガンマ値などを個別に記録できる。

アニメーション機能は定義されていない。PNGを拡張してアニメーション機能を持たせたMNGとAPNGが別に開発されている。

[編集] 歴史

PNGフォーマットの開発は1995年の初頭から始められた。これは、米UNISYS社がGIFフォーマットに使われている圧縮アルゴリズムLZWの特許行使を発表した後のことであり、PNGの頭文字には、非公式には「PNG is Not GIF」という意味が込められている[1]。これ以外にも、当時256色以上表示可能なコンピュータが主流になってきていたため、GIFフォーマットの256色という制限解消も目的とされた。1999年8月、UNISYS社は非商用ソフトについても特許使用料を請求することを決めると、PNGはさらに注目を集めることになった。

1996年10月1日 - PNG Version 1.0の仕様リリース。後にRFC 2083として承認。同日、W3Cによる勧告。
1998年12月31日 - Version 1.1リリース。小規模な変更と、3種類の新しいチャンクを追加。
1999年8月11日 - Version 1.2リリース。1種類の追加チャンク。
2003年11月10日 - 国際標準化（ISO/IEC 15948:2003）。このバージョンは1.2とわずかな差異あり。新規追加チャンクはなし。
2004年3月3日 - 国際標準化（ISO/IEC 15948:2004） [2]

[編集] 技術詳細

[編集] ファイルヘッダ

PNGファイルはヘッダに8バイトのシグネチャを持つ。16進数の値は 89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A となる（制御文字で表すと HTJ "PNG" CR LF SUB LF）。各値の意味は次の通り。

値	説明
89	8ビットデータをサポートしない転送システムを検知するためのハイビット値。また、テキストファイルが誤ってPNGと認識されるのを防ぐ。
50 4E 47	アスキー文字でPNGを表す。テキストエディタで開いた場合などに、フォーマットをわかりやすくするため。
0D 0A	DOSスタイルの改行（CR+LF）。DOS→UNIXでの行末データ変換が行われていないかを検知する。
1A	DOSでTYPEコマンドを使ってファイル表示をさせた場合、SUB（EOF）として表示を停止させるバイト。
0A	UNIXスタイルの行末（LF）。UNIX→DOSでの行末変換が行われていないかを検知する。

[編集] チャンク

ファイルヘッダに続いて、チャンクと呼ばれる複数のデータブロックが続く。各チャンクは画像についての様々な情報を保持するもので、必須チャンクと補助チャンクに分けられる。補助チャンクは任意的なもので、処理プログラム側によっては必ずしも処理されない。このチャンク構造により、PNGフォーマットは拡張性と前方互換性を両立する。

チャンクの構造は、そのチャンクサイズと種類を指定するヘッダ、続いて実際のデータ、最後にデータのCRCが配置される。チャンクの種類は、大文字と小文字が区別されるアルファベット4文字で表され、先頭の1文字が大文字のときは、必須チャンクに分類される。必須チャンクには、その画像ファイルを読み込むために必要な情報が含まれ、デコーダが解析不可能な必須チャンクに遭遇した場合、エラーとなる。

2文字目の大文字小文字は、そのチャンクがパブリックかプライベートかを示す。大文字がパブリック。パブリックチャンクはその仕様が公開、定義されたもので、公開チャンクともいう。

3文字目は将来的な拡張のためにリザーブされている。現在は常に大文字にしなければいけない。

4文字目の大小は、そのチャンクがそのままコピーできるかどうかを示す。小文字の場合、ファイルへの変更内容に関わらず、そのチャンクをコピーして継続的に使用できる。大文字の場合、他の必須チャンクへの変更の影響を受けることを表す。

[編集] 必須チャンク

PNGファイルの読み込みと表示に必要なチャンクで、デコーダが適切に処理する必要がある。

IHDR - 最も先頭に配置されるチャンクで、以下の情報が含まれる。
- 画像の縦横サイズ
- ビット深度
- カラータイプ
- 圧縮形式
- フィルタ形式
- インターレース形式
PLTE - カラーパレット定義。
IDAT - イメージデータ。複数のIDATチャンクに分割することもできる。この場合ファイルサイズは若干増えるが、PNGをストリームとして生成することができるようになる。
IEND - イメージの終端を示す。

PLTEチャンクはカラータイプ3（インデックスカラー）を使用するときに必須となる。カラータイプ2と6（トゥルーカラー及び、アルファ情報付きトゥルーカラー）の場合は任意、さらにカラータイプ0と4（グレースケール及び、アルファ情報付きグレースケール）の場合は存在してはいけない。

[編集] 補助チャンク

イメージについての付加情報を保持するための任意チャンク。

acTL - アニメーテッドPNGである事を示し、総フレーム数やループ回数を保持する。
bKGD - デフォルトの背景色を指定する。これは、単独のイメージビューアで表示するときなど、背景色が特に定まらない場合を想定している。ただし、Internet Explorer 6以前はアルファ値による透過表示をサポートせず、この値を背景色として使用する。
cHRM - ホワイトバランスを指定する。
fcTL - アニメーテッドPNGのフレーム制御情報を保持する。
fdAT - アニメーテッドPNGのフレーム画像データを保持する。
gAMA - ガンマ補正値を指定する。
hIST - ヒストグラム、またはイメージ内で使用されている各色の総量を保持する。
iCCP - ICCカラープロファイルを保持する。
iTXt - UTF-8フォーマットのテキストを保持する。圧縮・非圧縮、IETF言語タグを伴うことができる。
pHYs - ピクセルの物理サイズ、またはイメージのアスペクト比を指定する。
sBIT - 元データの有効なビット数を示す。
sPLT - イメージが使用する色を全てカバーできない時に、代替となるパレットを提示する。
sRGB - 標準的なsRGBの色空間が使われていることを示す。
tEXt - ISO 8859-1形式のテキストを保持する。キーワードと対になるチャンクを複数持つことができる。テキストの圧縮は行われない。
tIME - イメージの最終更新日時を保持する。
tRNS - 透過色情報を保持する。ピクセル単位のアルファ値指定が必要ない場合に使用する。インデックスカラーのイメージについてはインデックスに結びつけるアルファ値、トゥルーカラーやグレースケールのイメージについては、完全に透過とみなす色を指定する。
zTXt - tEXtチャンクと同じ制限の圧縮テキスト。

[編集] フィルタリング処理

PNGには圧縮率を向上させるための、「フィルタリング」と呼ばれるプロセスがある。

例えば、ピクセルの値が次のように並んでいたとする。

100,101,102,103,104,105

このデータには冗長な値が無く、このままDeflate圧縮を行っても効果は得られない。しかし例えば「左の値との差」をとると、データは以下のようになる。

100,1,1,1,1,1

この状態で圧縮すれば、最初の状態よりも高い効果が得られる。上記は極端な例であるが、このように事前に簡単な演算を行うことは、データによっては圧縮率の改善に役立つ。

PNGでは5種類のフィルタを定義している。

Sub: 左隣のピクセル値との差をとる（上記の例と同じ）。
Up: 真上のピクセル値との差をとる。
Average: 左隣と真上のピクセルの平均値との差をとる。
Paeth: 左隣、真上、左上の3つのピクセルからPaeth値を計算し、その値との差をとる。
None: 何もしない。

フィルタは横1ライン毎に変更できる。どんなフィルタをどこに使うかは使用するアプリケーション次第であり、アプリケーションによって圧縮後のサイズが異なる理由の一つである。

[編集] 圧縮

圧縮アルゴリズムはDeflateを使用し、フォーマットはzlib形式(RFC1950)と定められている。DeflateのアルゴリズムそのものはPNGの仕様には含まれない。圧縮後のデータは、そのままIDATチャンクに格納される。

なおPNGはDeflate以外の圧縮形式もサポート出来るように設計されており、IHDRチャンクやiTXtチャンクには、使用する圧縮形式を明示するCompression methodフィールドがある。ただしVer1.2時点では、Compression methodフィールドで使える値はDeflateを示す一種類だけである。

[編集] 他のフォーマットとの比較

POV-Rayで作られたPNGの画像

[編集] GIFとの比較

GIFの代替物として開発された経緯があるため、GIFと比較されることが多い。主な差異は以下の通り。

ほとんどの画像でPNGはGIFより圧縮率が高い。
GIFは1色透過だが、PNGはアルファチャンネルを持ち半透明の表現が可能。
PNGはフルカラーが可能なため256色のGIFより精細な色表現が可能。
GIFはアニメーションをサポートしているが、PNGはサポートしていない（アニメーションにはPNGの発展フォーマットであるMNG形式／APNG形式を用いる）。
GIFと比較すると圧縮・展開に多少時間が掛かる（ただし前述の通り容量はGIFより小さいため、転送時間の短縮を加味すれば劣点とはならない。サーバ側のプログラムが動的に画像を生成するような使用法では注意を要する）。
インターレースGIFとインターレースPNGを比較すると、インターレースPNGの方が圧縮率が低い。
インターレース形式のアルゴリズムが異なり、GIFよりも早い段階で全体像が見える。

[編集] JPEGとの比較

JPEGとPNGとの比較: JPEGでは均一な背景にノイズが出る

JPEGは、主に写真的なイメージデータを非可逆圧縮することでPNGよりも小さなファイルサイズに収めることができる。そのためPNGで、高画質に設定したJPEGと同程度の品質を得ようとすると、ファイルサイズはJPEGの数倍（大抵は5～10倍程度）になる。

PNGは、テキストや線画など色の境界がはっきりしたイメージに適している。線画と写真が混在している場合では、目的に応じてシャープな部分を重視する場合はPNG、ファイルサイズを重視する場合はJPEGを選ぶことができる。

JPEGは、ジェネレーションロスが生じるため、編集中の一時データの保存には向かない。PNGはその可逆性を生かして、編集やレタッチイメージの一時保存に利用し、最終イメージのみをJPEGで出力すれば、ジェネレーションロスは1世代にとどめることができる。その一方で、PNGはデジタルカメラなどで利用されているExif情報をサポートしていない。TIFFはロスレスでExifをサポートしているが、ファイルサイズではPNGに利点がある。

[編集] ブラウザの対応

前述の特許権問題によりGIF排斥運動が起こったが、GIFは依然として広く使われている。それは主に以下の理由からである。

当時のWebブラウザでPNGに正しく対応していないものがあった。
広告（バナー）には当時、GIFアニメがよく用いられたが、PNGの仕様そのものにはアニメーション機能が含まれていないため、代替することができない（MNGは多くのブラウザで未対応である）。
PNGの機能はweb上でフルに使われていない。例えばInternet Explorer 6及びそれ以前のバージョンは複数のアルファチャンネルに対応していない。
GIFで間にあった。

Internet Explorerはバージョン6までアルファチャンネルを持つPNG画像を正しく描画できない。2006年11月にリリースされたバージョン7で、正確に描画できるようになった。（ただしPhotoshopで生成したPNG画像の場合、gAMAチャンクへの不適切な記述のため正常に表示されないことがある）

PNGはGIFと同様な1色透過も扱え、こちらはInternet Explorer 5でも対応している。なお、IE5.5はアルファチャンネル付きPNGを正しく表示できるActiveXプラグイン（AlphaImageLoader）を搭載しているため、この機能を使うようHTMLファイルに記述すれば表示できる。ただしIEの設定によってはアルファチャンネルとして機能せず、また他ブラウザとの互換を考えると、わざわざこの機能を利用する価値はほとんど無い。

UNISYS社の主張するLZW圧縮アルゴリズムに関する特許は、米国時間2003年6月20日をもって無効（期限切れ）になった。PNGはLZW圧縮アルゴリズム特許の有効期間内で全てのGIFファイルを代替するには至らなかった。特許問題が事実上消失したため、「特許に抵触しないGIFを代替可能なフォーマットのひとつ」としての存在意義は消失した。現在、PNGは「GIFを代替可能なフォーマットのひとつ」という見方ができる。

[編集] ファイルサイズ

正しくエンコード処理を行ってメタデータを含まないように作成したPNG画像は、同じように処理して作成したGIF画像より小さくなるはずである。しかしPNGはGIFより機能が多いため、無駄に大きなサイズになってしまわないよう気をつける必要がある。

GIFは256色に制限されているため、多くのソフトはフォーマットの変換を行うとき自動的に256色に減色して保存する。そのためフルカラーの画像をPNGとGIFに保存した場合、GIFの方がサイズが小さくなる（かわりに画質は落ちている）。GIF同様256色のPNGを作ればGIFよりサイズが小さくなるにも関わらず、PNGは256色より多い色数を利用できるため変換時に自動で減色されない場合がある。結果同じ画像をGIFにした場合よりサイズが大きくなってしまい、これによりPNGはGIFよりもサイズが大きくなるのだと誤解してしまう人が多い。

Adobe Photoshopはバージョンによっては無駄に大きいPNGファイルを出力する場合がある。

インターレースPNGはインターレースGIFに比べ、圧縮率が低くファイルサイズが大きくなる場合が多い。また、インターレースPNGは通常のPNGより、ファイルサイズが大きくなりがちであり、注意が必要である。

PNGのファイルサイズを減らすにはPNG最適化ソフトウェアなどでPNGファイルを最適化するとよい。最適化の為のソフトウェアとしては、 OptiPNG、PNGOUT、pngrewrite、Pngcrushなどがある。また、Windows用ながらもBlastPNGのような複数の最適化ソフトウェアを一度に扱えるフロントエンドなどもある。

PNGはJPEGに取って代わるものではない。JPEGは写真の圧縮に適した非可逆圧縮方式であり、写真画像に限ってはJPEGのほうがファイルサイズが小さくなる。一方で、文字や線画などの保存はJPEGだと圧縮ノイズが目立ってしまうのでPNGのほうが適している上、ファイルサイズもかなり小さくなる。また、加工を繰り返す予定のある画像はJPEGでは劣化が進んでしまうのでPNG保存が望ましい。

[編集] 出典

^ Intro to PNG Features

[編集] 関連項目

[編集] 外部リンク

PNGの公式サイト
PNG仕様書（英語）
GNU のウェブページに GIF ファイルが一つも無い理由（GNUプロジェクト）

[0] Intro to PNG Features

[1]