JFIF steht für JPEG Interchange Format und ist die eigentliche Formatbezeichnung für eine JPEG-Datei. Der Begriff JPEG hingegen beschreibt den Algorithmus zur Komprimierung innerhalb einer JFIF-Datei.

Das Akronym JPEG steht für Joint Photographic Expert Group. 1982 setzte die ISO die Photographic Experts Group ein mit dem Ziel, Methoden zur effizienten Transmission von Text und Standbildern zur Übertragung auszuarbeiten.

JPEG ist der verbreitetste Komprimierungsalgorithmus von Bildern für das Web als auch für die Druckvorstufe. Es ist ein verlustbehaftetes Verfahren, das speziell zur Kompression von Halbtonbildern (Farbtiefe von mindestens 8 Bit pro Kanal) und nicht zur Kompression von Schwarz-Weiß- bzw. indizierten Bildern oder von allgemeinen Daten entwickelt wurde. Im Gegensatz zu anderen Kompressionsverfahren handelt es sich bei JPEG nicht um eine einzelne Kompressionsmethode, sondern um eine Bibliothek von Methoden, die auf die Bedürfnisse der Anwender angepasst werden können. JPEG stellt einen Standard zur Datenkompression, jedoch kein Dateiformat dar.

Die Kompression von JPEG lässt sich über mehrere JPEG-Qualitätsstufen steuern. Theoretisch gibt es laut Spezifikation die Möglichkeit, eine verlustfreie Komprimierung vorzunehmen. Dies wird aber in der Praxis aufgrund fehlender Parametrierung in Grafik- bzw- PDF Editierungsprogrammen kaum verwendet. Vielmehr werden die einstellbaren fünf Qualitätsstufen (die Anzahl ist jedoch applikationsabhängig) von maximaler Qualität (= niedrige Kompressionsrate) bis zu niedriger Qualität (= hohe Kompression) gezielt für die unterschiedlichsten Workflows eingesetzt. Für die Verwendung im Druck kann gesagt werden, dass bei maximaler Qualität eine Kompressionsrate von 1:4 und bei der niedrigsten Qualität eine Kompressionsrate von 1:25 möglich ist.

Die Anforderungen an JPEG waren enorm. Das Format sollte sich für möglichst unterschiedliche Einsatzgebiete eignen, die Kompression sollte unabhängig von der Farbtiefe und Größe bzw. Auflösung des Bildes über einen Faktor einstellbar sein, und JPEG sollte vor allem einfach in Software und Hardware integriert werden können.

Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurde JPEG so konzipiert, dass ein mehrstufiger Prozess für die Kompression notwendig ist. Diese Codierungsstufen sind:

1. Wandlung in den YC_rC_b-Farbraum: Um dem Ziel, ein Optimum an Qualität zu erzeugen, näher zu kommen, müssen die Ausgangsdaten in eine Form gebracht werden, die es erlaubt, zwischen relevanten und irrelevanten Inhalten zu unterscheiden. Das Bild wird dazu in einen Farbraum umgewandelt, in dem die Helligkeitsinformationen unabhängig von den Farbwerten gespeichert werden können. Der Farbraum von JPEG ist YC_rC_b, wobei die Y-Achse die Luminanz repräsentiert und in den anderen Achsen die Farbwerte (Farbdifferenzanteile) codiert sind.
   Der Grund für diese Umwandlung liegt darin, dass die Helligkeitsunterschiede vom menschlichen Auge besser ­unterschieden werden können als die Farbunterschiede.
2. Subsampling: Da das menschliche Auge Änderungen der Helligkeitsinformationen eines Bildes stärker wahrnimmt als Änderungen der Farbinformationen, wird das Helligkeitssignal Y mit voller Auflösung gespeichert. Die Reduktion der Auflösung erfolgt in den Farbachsen durch Subsampling, bei dem zwei bis vier Pixel jeder Farbkomponente über ein Mittelungsverfahren zu einem Pixel zusammengefasst werden. Die Helligkeit bleibt vollkommen erhalten. Daraus ist erklärbar, dass sich Graustufenbilder – ihnen fehlt die Farb­information – durch JPEG nicht so hervorragend komprimieren lassen. Die Farbinformationen werden je nach Qualitätsstufe gleichgeschaltet, was zu einer Verflachung der Details führt.
3. Diskrete Cosinus Transformation: In einem weiteren Schritt erfolgt für jede nach dem Subsampling erstellte Farbkomponente die Codierung durch das Kompressionsverfahren DCT-Verfahren. Dabei wird jede Komponente in 8 x 8-Pixel-Blöcke zerlegt und mittels Cosinus-Transformation mathematisch in einen Frequenzraum übertragen. Das Ergebnis ist eine Ausgangsmatrix, die die gleiche Größe aufweist wie die Eingangsmatrix. Es findet also keine Datenreduktion statt. In der Ausgangsmatrix beschreibt das erste Element den Gleichanteil, die übrigen 63 Komponenten den Wechselanteil des zeitdiskreten Eingangssignals.
4. Quantisierung – Gewichtung der Inhalte: Die ­einzelnen Ma­trixelemente werden dabei mithilfe vorgegebener oder selbst erzeugter Quantisierungstabellen gewichtet und dabei durch konstante Werte geteilt. Je nachdem, welche Quantisierung zur Anwendung gebracht wird, gehen Bildinformationen verloren. Höhere Frequenzanteile (= dunklere Bildbereiche) werden stärker gewichtet als niedrige Frequenzanteile, weshalb dunklere Bildbereiche beim Quantisieren eher auf der Strecke bleiben. Durch die Wahl der JPEG-Kompression (maximal, hoch, mittel, wenig, niedrig) wird demnach eine unterschiedliche Quantisierung verwendet. Wie nach der DCT bleibt auch nach der Quantisierung die Ausgangsdatenmenge erhalten. Bereits einmal mit JPEG komprimierte Bilder sollten Sie daher nicht erneut als JPEG speichern, da eine erneute Codierung wiederum einen Verlust an Bildinformationen erzeugt.
5. Verlustfreie Kompression: Nach der Quantisierung müssen die DC- (erstes Element der 8 x 8-Matrix) und die AC-Koeffizienten (die restlichen 63 Koeffizienten der Matrix) in eine sequenzielle Reihenfolge gebracht werden. Die AC- und DC-Koeffizienten werden dabei mit unterschiedlichen Tabellen (VLI- und VLC-Codierung) codiert. Zum Schluss erfolgt noch eine verlustfreie Kompression der Koeffizientenkette durch eine Huffman-Codierung. Dabei werden häufig auftretenden Symbolfolgen kurze Codeworte zugeordnet (Entfernung von redundanten Informationen).

Zusammenfassung: JPEG ist und bleibt das verbreitetste Kompressionsverfahren für die Abspeicherung von Halbtoninformationen für alle Farbtiefen von 8-Bit-Graustufen-, 24-Bit-RGB bis 32-Bit-Bildern. Das Komprimieren von 1-Bit-Bildern ist zwar möglich, jedoch hinsichtlich der Qualitätseinschränkung zu vernachlässigen. Lediglich bei mittlerer und hoher Kompressionsrate zeigen sich Blockartefakte, die die Bildqualität erheblich beeinträchtigen.

Technisch gesehen zählt JPEG zu den verlustbehafteten und asymmetrischen Kompressionsmethoden. In PDF wird JPEG über den DCTDecode-Filter angesprochen. Eine Parametrierung des Filters ist vorgesehen.

Bessere mathematische Verfahren zeichnen JPEG2000 gegenüber JPEG aus. Im Sommer 2000 wurde der neue Standard unter der Bezeichnung JPEG2000 Image Coding System vorgestellt. Die Dateiendung von JPEG2000 lautet völlig unerwartet jpf.

Die Ziele, die durch JPEG erreicht werden sollten, waren schon damals ambitioniert. Mit JPEG2000 sollte das bewährte Format weiteren Anforderungen gerecht werden:

• Höhere Kompressionen, als dies mit JPEG möglich ist.
• Eine Steigerung der Qualität um ein Vielfaches – vor allem im nie­drigen Bittiefenbereich (hohe Frequenzanteile) – soll erzielt werden.
• Eine Reduktion der Blockartefakte-Bildung soll gegeben sein.
• Eine verlustfreie Methode zur Verarbeitung von Schwarz-Weiß-Bildern muss gewährleistet sein.
• JPEG2000 soll nicht nur für Bilder, sondern auch für die Codierung von Computergrafiken bzw. ganzen Dateien mit Text- und Bilddaten hervorragend geeignet sein.
• Eine verbesserte Übertragbarkeit durch Integration einer höheren Fehlertoleranz hinsichtlich der Übertragungsfehler.
• Die Möglichkeit einer progressiven Übertragung, also einer Auf­teilung in verschiedene Auflösungsstufen, muss integriert sein.

Was im Jahre 2000 als JPEG2000 vorgestellt wurde, kann anhand folgender Eigenschaften beschrieben werden:

• Die Grundlage der JPEG2000-Codierung ist der Wavelet-Algorithmus. Das Ergebnis der Wavelet-Transformation sind Wavelet-Koeffizienten, die das Bild in verschiedenen Auflösungen beschreiben.
• JPEG2000 kann verlustfrei und verlustbehaftet sowohl Halbton- als auch Schwarz-Weiß-Bilder komprimieren. Eine verlustfreie Komprimierung ist Basis für ein Kompressionsverfahren, das nicht nur für Pixelbilder eingesetzt werden soll.
• Die verschiedenen »Schichten« in einer JPEG2000-Datei be­schreiben die unterschiedlichen Qualitätsstufen eines Bildes. Das bedeutet, dass bei einem Bild in höherer Qualität nicht das ganze Bild, sondern nur die für den Prozess benötigte Qualität genutzt wird. Dies könnte auch in der Druckvorstufe zur Anwendung kommen, da für den Proofdruck meistens keine so hoch aufgelöste Information benötigt wird wie beim Belichten. Wesentlich dabei ist, dass beide Ausgabeformen mit derselben Datei arbeiten.
• Interessant ist auch, dass man innerhalb eines Bildes sogenannte Regions of Interest (ROI) – diese müssen über Masken abgebildet werden – definieren kann, die dazu herangezogen werden können, partiell höhere bzw. niedrigere Qualitäten bei der Kompression zu erzielen.
• Im Unterschied zu JPEG können mit JPEG2000 Transparenzen und Alpha-Kanäle abgespeichert werden. Während die Transparenzen beim erneuten Öffnen in Adobe Photoshop erhalten bleiben, fehlen die Alpha-Kanäle (Masken).
• Es werden bis zu 256 Farbkanäle mit einer Farbtiefe von 1 Bit bis 16 Bit pro Farbkanal unterstützt. Dadurch können neben RGB-Bildern auch CMYK-Informationen abgespeichert werden.
• Indizierte Bildbestände sind bei JPEG noch auf eine Farbtabelle von 256 Farben beschränkt, mit JPEG2000 kann diese Farbtabelle auf 1024 Farben erweitert werden.
• JPEG2000 ist ein eigenes Fileformat. Innerhalb des Formats ist standardmäßig der sRGB-Farbraum aktiviert. Es können jedoch ICC-Farbprofile und somit auch eciRGB-Farbprofile oder ­Ausgabeprofile wie ISOCoated_v2 in die Datei eingebunden werden.
• JPEG2000 unterstützt auch Metadaten. Damit können Datums­einträge, Copyright-Vermerke, Autor, Schlagwörter, Titelbezeichnungen sowie frei definierbare Metainformationen und auch alle EXIF-Informationen in der Datei hinterlegt werden.
• Durch den internen Aufbau des Formats in Boxen (Signature Box, Header Box, Contiguous Codestream Box) kann schneller auf die benötigten Inhalte zugegriffen werden, ohne vorher eine Dekomprimierung durchführen zu müssen.

Zusammenfassung: Die Vorteile, eine hohe Kompressi­onsrate bei weniger sichtbarem Qualitätsverlust in einer Datei unterbringen zu können, sind für die Praxis so verlockend, dass eigentlich kein Hersteller an JPEG2000 vorbeikommen sollte. Mit der PDF-1.5-Spezifikation hat JPEG2000 in PDF Einzug gehalten. JPEG2000 ist kein Zauberkünstler, doch ist im Durchschnitt eine Reduktion von 25 % bis 50 % der Dateigröße im Vergleich zu JPEG möglich. Egal welcher Farb­raum, welche Farbtiefe, welche Auflösung und ob Pfade, Alpha-Kanäle und Farbprofile eingebettet werden müssen, JPEG2000 wäre das Format, das einer »eierlegenden Wollmilchsau« in der Palette der Dateiformate wohl am nächsten kommen würde.

Technisch gesehen zählt JPEG2000 zu den verlustfreien bzw. zu den verlustbehafteten und asymmetrischen Kompressionsmethoden. Intern wird dabei zwischen JP2 und JPX unterschieden.

In PDF wird JPEG2000 über den JPXDecode-Filter angesprochen. Dieser kann nur auf image XObjects angewandt werden. Eine Parametrierung des Filters ist vorgesehen. Die Möglichkeit, diese in der grafischen Oberfläche von Grafik-, Layout- und PDF Editoren einzustellen, ist nicht im vollen Ausmaß und daher auch nicht brauchbar gegeben.

JPEG2000 komprimierte PDF-Dateien sind in der Regel kleiner und besser in der Qualität als JPEG-Dateien. Beim Rendern dieser Inhalte kann es zu einer längeren Renderezit kommen, weshalb in vielen Programmen eine Implementierung des Kompressionsalgorithmus fehlt.