Portable Network Graphics (PNG, für „portable Netzwerkgrafik“, als Akronym auch silbisch ausgesprochen []) ist ein Grafikformat für Rastergrafiken mit verlustfreier Datenkompression. Es ist vom World Wide Web Consortium (W3C) anerkannt und das meistverwendete verlustfreie Grafikformat im Internet.
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 wesentlich größer als JPEG. Das PNG-Format konnte lange Zeit nicht ohne Weiteres in Browsern dargestellt werden, so dass es sich erst nach Jahren neben JPEG und GIF behaupten konnte.Sibylle Mühlke: Adobe Photoshop CC, 7. Auflage 2018, S. 1051
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.
Die PNG-Arbeitsgruppe (PNG Development Group) ist seit dem 14. September 2021 vom W3C mit der Pflege und Weiterentwicklung der PNG-Spezifikation beauftragt. Die dritte Ausgabe der PNG-Spezifikation, die die ordnungsgemäße Unterstützung von APNG, High Dynamic Range (HDR) und Exif-Daten hinzufügt, wurde am 25. Oktober 2022 als erster öffentlicher Arbeitsentwurf und schließlich am 24. Juni 2025 als W3C-Empfehlung veröffentlicht.
Seit langem ist das PNG-Format weit verbreitet; es hat vor allem bei verlustfrei stark komprimierbaren Grafiken wie beispielsweise Buttons, Icons und Logos GIF ersetzt. Für Fotos wird es meist nur dann verwendet, wenn deren verlustfreie Speicherung Vorrang vor einer geringen Datengröße hat, da verlustbehaftete Kompression (wie z. B. durch JPEG) Fotos im Allgemeinen noch deutlich stärker komprimieren kann, ohne dass für das menschliche Auge signifikante Qualitätsverluste auftreten.
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 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.
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. Diese können Metadaten zu den Bildinhalten und andere Zusatzinformationen enthalten, etwa zur Farbkorrektur. Diese können mit Programmen wie TweakPNG 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) (hex) Bemerkung 89 Tabulator mit gesetztem Bit 7 50 4E 47 ASCII-Zeichenkette „PNG“; ermöglicht das leichte Identifizieren 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 Zeilenvorschub
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.
Dekorrelation
mini|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: Nummer Name Beschreibung0 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 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.
Pixelformat Erlaubte Kombinationen aus Farbtyp und Bittiefe FarbtypKanäleBits pro Kanal124816Indiziert11248Graustufen1124816Graustufen und Alpha21632True Color32448True Color und Alpha43264 Pixel in PNG-Bildern sind Zahlen, die entweder Indexe von Beispieldaten in der Palette oder die Beispieldaten selbst sein können. Die Palette ist eine separate Tabelle, die im PLTE-Block enthalten ist. Beispieldaten für ein einzelnes Pixel bestehen aus einem Tupel von eins bis vier Zahlen. Die Zahlen werden als Kanäle bezeichnet und jede Zahl im Bild wird in einem identischen Format codiert. Die zulässigen Formate codieren jede Zahl als Integerwert ohne Vorzeichen mit einer festen Anzahl von Bits, die in der PNG-Spezifikation als Bittiefe bezeichnet wird. Das ist nicht dasselbe wie die Farbtiefe, die üblicherweise verwendet wird, um sich auf die Gesamtzahl der Bits in jedem Pixel und nicht in jedem Kanal zu beziehen. Die zulässigen Bittiefen sind in der Tabelle zusammen mit der Gesamtzahl der für jedes Pixel verwendeten Bits zusammengefasst. Die Anzahl der Kanäle hängt davon ab, ob das Bild in Graustufen oder Farbe vorliegt und ob es einen Alphakanal hat. PNG erlaubt die folgenden Kanalkombinationen, die als Farbtyp bezeichnet werden.
Der Farbtyp wird als 8-Bit-Wert angegeben, allerdings werden nur die unteren drei Bits verwendet und selbst dann sind nur die fünf oben aufgeführten Kombinationen zulässig. Solange der Farbtyp gültig ist, kann er als Bitfeld betrachtet werden, wie in der folgenden Tabelle zusammengefasst:W3C: Portable Network Graphics (PNG) Specification (Third Edition) - IHDR Image header FarbtypNameBinärwerteMaskenACP0Graustufen00002True Color0010Farbe3Indiziert0011Farbe, Palette4Graustufen und Alpha0100Alpha6True Color und Alpha0110Alpha, Farbe
Kompatibilität Farbprofile