Estudio de calidad de codificación utilizando los perfiles 10 Bits del estándar H.264

Desde los inicios de la codificación de vídeo digital hasta hoy, tanto la señal de video sin comprimir de entrada al codificador como la señal de salida descomprimida del decodificador, independientemente de su resolución, uso de submuestreo en los planos de diferencia de color, etc. han tenido siempre la característica común de utilizar 8 bits para representar cada una de las muestras. De la misma manera, los estándares de codificación de vídeo imponen trabajar internamente con estos 8 bits de precisión interna al realizar operaciones con las muestras cuando aún no se han transformado al dominio de la frecuencia. Sin embargo, el estándar H.264, en gran auge hoy en día, permite en algunos de sus perfiles orientados al mundo profesional codificar vídeo con más de 8 bits por muestra. Cuando se utilizan estos perfiles, las operaciones efectuadas sobre las muestras todavía sin transformar se realizan con la misma precisión que el número de bits del vídeo de entrada al codificador. Este aumento de precisión interna tiene el potencial de permitir unas predicciones más precisas, reduciendo el residuo a codificar y aumentando la eficiencia de codificación para una tasa binaria dada. El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera es estudiar, utilizando las medidas de calidad visual objetiva PSNR (Peak Signal to Noise Ratio, relación señal ruido de pico) y SSIM (Structural Similarity, similaridad estructural), el efecto sobre la eficiencia de codificación y el rendimiento al trabajar con una cadena de codificación/descodificación H.264 de 10 bits en comparación con una cadena tradicional de 8 bits. Para ello se utiliza el codificador de código abierto x264, capaz de codificar video de 8 y 10 bits por muestra utilizando los perfiles High, High 10, High 4:2:2 y High 4:4:4 Predictive del estándar H.264. Debido a la ausencia de herramientas adecuadas para calcular las medidas PSNR y SSIM de vídeo con más de 8 bits por muestra y un tipo de submuestreo de planos de diferencia de color distinto al 4:2:0, como parte de este proyecto se desarrolla también una aplicación de análisis en lenguaje de programación C capaz de calcular dichas medidas a partir de dos archivos de vídeo sin comprimir en formato YUV o Y4M. ABSTRACT Since the beginning of digital video compression, the uncompressed video source used as input stream to the encoder and the uncompressed decoded output stream have both used 8 bits for representing each sample, independent of resolution, chroma subsampling scheme used, etc. In the same way, video coding standards force encoders to work internally with 8 bits of internal precision when working with samples before being transformed to the frequency domain. However, the H.264 standard allows coding video with more than 8 bits per sample in some of its professionally oriented profiles. When using these profiles, all work on samples still in the spatial domain is done with the same precision the input video has. This increase in internal precision has the potential of allowing more precise predictions, reducing the residual to be encoded, and thus increasing coding efficiency for a given bitrate. The goal of this Project is to study, using PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) and SSIM (Structural Similarity) objective video quality metrics, the effects on coding efficiency and performance caused by using an H.264 10 bit coding/decoding chain compared to a traditional 8 bit chain. In order to achieve this goal the open source x264 encoder is used, which allows encoding video with 8 and 10 bits per sample using the H.264 High, High 10, High 4:2:2 and High 4:4:4 Predictive profiles. Given that no proper tools exist for computing PSNR and SSIM values of video with more than 8 bits per sample and chroma subsampling schemes other than 4:2:0, an analysis application written in the C programming language is developed as part of this Project. This application is able to compute both metrics from two uncompressed video files in the YUV or Y4M format.

Multimodal integration of functional and structural brain connectivity. An application to the characterization of Mild Cognitive Impairment

La investigación para el conocimiento del cerebro es una ciencia joven, su inicio se remonta a Santiago Ramón y Cajal en 1888. Desde esta fecha a nuestro tiempo la neurociencia ha avanzado mucho en el desarrollo de técnicas que permiten su estudio. Desde la neurociencia cognitiva hoy se explican muchos modelos que nos permiten acercar a nuestro entendimiento a capacidades cognitivas complejas. Aun así hablamos de una ciencia casi en pañales que tiene un lago recorrido por delante. Una de las claves del éxito en los estudios de la función cerebral ha sido convertirse en una disciplina que combina conocimientos de diversas áreas: de la física, de las matemáticas, de la estadística y de la psicología. Esta es la razón por la que a lo largo de este trabajo se entremezclan conceptos de diferentes campos con el objetivo de avanzar en el conocimiento de un tema tan complejo como el que nos ocupa: el entendimiento de la mente humana. Concretamente, esta tesis ha estado dirigida a la integración multimodal de la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética ponderada en difusión (dMRI). Estas técnicas son sensibles, respectivamente, a los campos magnéticos emitidos por las corrientes neuronales, y a la microestructura de la materia blanca cerebral. A lo largo de este trabajo hemos visto que la combinación de estas técnicas permiten descubrir sinergias estructurofuncionales en el procesamiento de la información en el cerebro sano y en el curso de patologías neurológicas. Más específicamente en este trabajo se ha estudiado la relación entre la conectividad funcional y estructural y en cómo fusionarlas. Para ello, se ha cuantificado la conectividad funcional mediante el estudio de la sincronización de fase o la correlación de amplitudes entre series temporales, de esta forma se ha conseguido un índice que mide la similitud entre grupos neuronales o regiones cerebrales. Adicionalmente, la cuantificación de la conectividad estructural a partir de imágenes de resonancia magnética ponderadas en difusión, ha permitido hallar índices de la integridad de materia blanca o de la fuerza de las conexiones estructurales entre regiones. Estas medidas fueron combinadas en los capítulos 3, 4 y 5 de este trabajo siguiendo tres aproximaciones que iban desde el nivel más bajo al más alto de integración. Finalmente se utilizó la información fusionada de MEG y dMRI para la caracterización de grupos de sujetos con deterioro cognitivo leve, la detección de esta patología resulta relevante en la identificación precoz de la enfermedad de Alzheimer. Esta tesis está dividida en seis capítulos. En el capítulos 1 se establece un contexto para la introducción de la connectómica dentro de los campos de la neuroimagen y la neurociencia. Posteriormente en este capítulo se describen los objetivos de la tesis, y los objetivos específicos de cada una de las publicaciones científicas que resultaron de este trabajo. En el capítulo 2 se describen los métodos para cada técnica que fue empleada: conectividad estructural, conectividad funcional en resting state, redes cerebrales complejas y teoría de grafos y finalmente se describe la condición de deterioro cognitivo leve y el estado actual en la búsqueda de nuevos biomarcadores diagnósticos. En los capítulos 3, 4 y 5 se han incluido los artículos científicos que fueron producidos a lo largo de esta tesis. Estos han sido incluidos en el formato de la revista en que fueron publicados, estando divididos en introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. Todos los métodos que fueron empleados en los artículos están descritos en el capítulo 2 de la tesis. Finalmente, en el capítulo 6 se concluyen los resultados generales de la tesis y se discuten de forma específica los resultados de cada artículo. ABSTRACT In this thesis I apply concepts from mathematics, physics and statistics to the neurosciences. This field benefits from the collaborative work of multidisciplinary teams where physicians, psychologists, engineers and other specialists fight for a common well: the understanding of the brain. Research on this field is still in its early years, being its birth attributed to the neuronal theory of Santiago Ramo´n y Cajal in 1888. In more than one hundred years only a very little percentage of the brain functioning has been discovered, and still much more needs to be explored. Isolated techniques aim at unraveling the system that supports our cognition, nevertheless in order to provide solid evidence in such a field multimodal techniques have arisen, with them we will be able to improve current knowledge about human cognition. Here we focus on the multimodal integration of magnetoencephalography (MEG) and diffusion weighted magnetic resonance imaging. These techniques are sensitive to the magnetic fields emitted by the neuronal currents and to the white matter microstructure, respectively. The combination of such techniques could bring up evidences about structural-functional synergies in the brain information processing and which part of this synergy fails in specific neurological pathologies. In particular, we are interested in the relationship between functional and structural connectivity, and how two integrate this information. We quantify the functional connectivity by studying the phase synchronization or the amplitude correlation between time series obtained by MEG, and so we get an index indicating similarity between neuronal entities, i.e. brain regions. In addition we quantify structural connectivity by performing diffusion tensor estimation from the diffusion weighted images, thus obtaining an indicator of the integrity of the white matter or, if preferred, the strength of the structural connections between regions. These quantifications are then combined following three different approaches, from the lowest to the highest level of integration, in chapters 3, 4 and 5. We finally apply the fused information to the characterization or prediction of mild cognitive impairment, a clinical entity which is considered as an early step in the continuum pathological process of dementia. The dissertation is divided in six chapters. In chapter 1 I introduce connectomics within the fields of neuroimaging and neuroscience. Later in this chapter we describe the objectives of this thesis, and the specific objectives of each of the scientific publications that were produced as result of this work. In chapter 2 I describe the methods for each of the techniques that were employed, namely structural connectivity, resting state functional connectivity, complex brain networks and graph theory, and finally, I describe the clinical condition of mild cognitive impairment and the current state of the art in the search for early biomarkers. In chapters 3, 4 and 5 I have included the scientific publications that were generated along this work. They have been included in in their original format and they contain introduction, materials and methods, results and discussion. All methods that were employed in these papers have been described in chapter 2. Finally, in chapter 6 I summarize all the results from this thesis, both locally for each of the scientific publications and globally for the whole work.