Portable Network Graphics

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).

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.

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 angegeben (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.

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.[7] Diese können Metadaten zu den Bildinhalten und andere Zusatzinformationen enthalten, etwa zur Farbkorrektur. Diese können mit Programmen wie TweakPNG[8] 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.

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

Beispieldatei mit verschiedenartigen Inhalten

Darstellung der Bitkosten pro Pixel des obigen PNG-Bildes
(dunkel/blau: geringe Bitkosten, grün: mittlere Kosten, rot: hohe Bitkosten)

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

Ein PNG-Bild mit 256 Farben, das dank Vorfilter nur 251 Byte groß ist. Das gleiche Bild als GIF-Datei wäre mehr als 13-mal so groß.

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:

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.

Bis auf Safari und Firefox (nach Aktivierung) unterstützt bisher (2022) 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 (2022) nicht möglich. Zumindest für den Browser Firefox ist diese Funktion aber für die nächsten Jahre geplant. Eingebettete Gammakorrekturwerte (gAMA-Blöcke) hingegen werden von den meisten aktuellen Browsern fehlerfrei erkannt und verarbeitet.

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.

• Die Kompression ist verlustfrei und dabei meist kompakter als vergleichbare Formate.[9]
• Unterstützung von Alpha-Transparenz (bis zu 16 Bit, also 65.536 Stufen; gebräuchlich sind 8 Bit).
• Unterstützung von Farb- und Helligkeitskorrekturmechanismen, um sicherzustellen, dass ein Bild auf verschiedenen Systemen annähernd gleich aussieht.
• Das Format unterliegt einem festen Standard und ist erweiterbar, so dass theoretisch jedes Programm bestimmte Mindestanforderungen erfüllen muss. Außerdem ist PNG sowohl aufwärts-, als auch abwärtskompatibel, was Inkompatibilitäten zwischen verschiedenen Versionen reduziert.
• Durch integrierte Prüfsummen wird ermöglicht, Fehler in der Datei frühzeitig zu erkennen.
• PNG-Dateien sind streambar, das heißt zur Interpretation des Dateiinhalts ist kein wahlfreier Zugriff wie etwa bei vielen TIFF-Dateien notwendig.
• Es ist ein optionales Interlacing mit 7 Durchläufen nach Adam M. Costello („Adam7“) verfügbar, also der allmähliche Bildaufbau bei der Übertragung über langsame Datenleitungen. Schon bei sehr geringer Übertragung ist bereits eine relativ brauchbare Darstellung möglich.[10]
• Die Unterstützung durch alle graphischen Webbrowser ist vorhanden.

• Die offizielle Möglichkeit, Animationen darzustellen, ist das MNG-Format, welches von keinem Browser unterstützt wird. Für animierte PNG hat sich stattdessen das APNG-Format durchgesetzt. Auch über verschiedene Web-Techniken können PNG als Spritesheets animiert werden, wie es zum Beispiel von Facebook unterstützt wird, im Gegensatz zu animiertem GIF.
• PNG unterstützt das CMYK-Farbmodell nicht und ist deshalb nicht als vollständiger TIFF-Ersatz geeignet.
• Eingebettete Metainformationen werden zwar unterstützt, sie entsprechen aber weder dem Exif- noch dem IPTC-Standard.
• PNG ermöglicht nicht das einfache Laden von Bildteilen. Wer nur einen Ausschnitt des Bildes laden möchte, muss alle Bildzeilen davor mitladen. Im Falle von PNG-Dateien, die nicht sequentiell, sondern interlaced gespeichert wurden, muss sogar noch mehr geladen werden.
• Das Format erreicht bei bestimmten Bildarten (zum Beispiel Fotos) prinzipbedingt nicht die Kompressionsraten verlustbehafteter Algorithmen, wie etwa JPEG. Auch Algorithmen, die auf bestimmte Klassen von Bilddaten spezialisiert sind, komprimieren bei solchen Inhalten besser als PNG (Beispiel: JBIG2 für gerasterte Binärbilder).

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.)