Master's Thesis

Lane detection using Deep Learning in a virtual world

Final Thesis 5.82 MB Appendix 1.56 MB

Author of thesis: Bc. Jakub Janík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc.

Abstract:

This master's thesis deals with the design and implementation of a lane detection system using deep learning methods, with a primary focus on model uncertainty quantification. Common neural networks often exhibit disproportionately high confidence even in their erroneous predictions, which poses a critical safety risk to autonomous driving systems. For this reason, the selected ERFNet architecture was extended with the probabilistic Monte Carlo Dropout method, enabling continuous estimation of model uncertainty. The base model was trained on the real-world TuSimple dataset, and the Fourier Domain Adaptation (FDA) method was applied to bridge the domain gap for subsequent testing in the synthetic environment of the Unreal Engine simulator. The functionality of the proposed solution was verified in a closed-loop simulation (Simulink) across 128 test scenarios. The results demonstrate that the implemented uncertainty estimates reliably correspond with degraded visual conditions (e.g., sun glare, dynamic shadows) and complex road geometry (Out-of-Distribution). The system thus continuously generates a quantifiable measure of uncertainty that can serve as an input signal for high-level control systems in detecting critical states.

Keywords:

lane detection, deep learning, uncertainty estimation, Monte Carlo Dropout, Fourier domain adaptation, autonomous driving, ERFNet, Simulink

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta: 1) Jaké jsou hlavní limity použití virtuálních datasetů při přenosu modelů do reálného provozu? Zodpovězeno. 2) Jakým způsobem lze prakticky implementovat odhad epistemické nejistoty v reálném čase? Zodpovězeno. 3) Jaké výhody a nevýhody mají architektury typu U-Net a DeepLabV3+ pro detekci jízdních pruhů? Zodpovězeno. 4) Jaký vliv má kvalita anotací datasetů na výslednou robustnost modelu? Zodpovězeno. Další otázky k závěrečné práci od členů komise: 1) V čem se výsledek liší oproti již dostupných a dlouho fungujících systémech. Zodpovězeno. 2) Jaké množství algoritmu jste vytvářel sám. Zodpovězeno. 3) Jak by se algoritmus zachoval, když vodorovné značení chybí? Zodpovězeno. 4) Vyjádřete se více k nejistotám testovacích scénářů. Částečně zodpovězeno. 5) Proč značení na pravé straně je stabilnější než shoda se středovou čárou? Částečně zodpovězeno. 6) Kolik nehod způsobí necitlivé zásahy těchto systémů? Částečně zodpovězeno. 7) Proč testování probíhalo pouze na dokonale rovných cestách, kdy chybí reálný terén? Částečně zodpovězeno. 8) Jaká je energetická spotřeba systému? Částečně zodpovězeno. 9) Kolik trénovacích dat jste měl k dispozici. Zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Advanced Automotive Engineering (N-AAE-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Vojtěch Trusík (člen)
Ing. Jiří Bazala, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Šopík (člen)
Ing. Tomáš Heger (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem a implementací systému detekce jízdních pruhů založeného na metodách hlubokého učení se zaměřením na kvantifikaci nejistoty modelu. Součástí práce je vytvoření virtuálního testovacího prostředí, návrh algoritmů, jejich implementace a ověření v uzavřené simulační smyčce.

Student pracoval po celou dobu řešení práce velmi samostatně a aktivně vyhledával odborné zdroje z oblasti autonomního řízení, počítačového vidění a hlubokého učení. Pravidelně konzultoval dosažené výsledky a dokázal samostatně navrhovat vhodná technická řešení vznikajících problémů. Lze ocenit zejména rozsah realizovaných aktivit zahrnujících tvorbu virtuálního světa, implementaci neuronové sítě i návrh metodiky testování. Student prokázal schopnost propojit poznatky z několika technických oblastí do funkčního celku.

Rešeršní část poskytuje velmi rozsáhlý přehled problematiky detekce jízdních pruhů, kvantifikace nejistoty a autonomního řízení. Pozitivně hodnotím využití moderních odborných zdrojů a logickou návaznost jednotlivých kapitol na navržené řešení. Místy však převažuje popisný charakter nad hlubší kritickou analýzou jednotlivých přístupů.

Student využil architekturu ERFNet rozšířenou o Monte Carlo Dropout, implementoval Fourierovu doménovou adaptaci a využil metodiku vyhodnocení nejistoty v simulačním prostředí. Vlastní přínos spatřuji zejména v integraci jednotlivých metod do jednotného validačního řetězce a v rozsáhlém experimentálním ověření navrženého řešení.

Všechny cíle definované v zadání byly splněny. Byla provedena rešerše problematiky, vytvořen virtuální svět, navržen a implementován algoritmus detekce jízdních pruhů, realizován odhad nejistoty a ověřena funkčnost systému v simulačním prostředí. Rozsah realizovaných prací odpovídá požadavkům kladeným na diplomovou práci. Určitou výhradu lze směřovat k použití datasetu TuSimple, který je tvořen převážně dálničními scénáři. Přestože byly do validačních testů zařazeny i složitější geometrie vozovky, práce podrobněji nediskutuje vliv tohoto rozdílu mezi trénovací a validační doménou. Dále v práci chybí informace o použitém výpočetním hardwaru a časové či výpočetní náročnosti trénování modelu, což částečně omezuje reprodukovatelnost experimentů.

Práce je graficky zpracována na velmi dobré úrovni. Text je přehledný a logicky strukturovaný. Vyskytují se pouze drobné stylistické nedostatky, což však nesnižuje srozumitelnost práce.

Student během řešení práce prokázal schopnost samostatně řešit komplexní inženýrský problém z oblasti autonomního řízení a metod hlubokého učení. Oceňuji zejména rozsah praktické části, systematický přístup k experimentům a schopnost kriticky interpretovat dosažené výsledky. Použití generativní AI je v práci transparentně popsáno a dle uvedeného rozsahu sloužilo pouze jako podpůrný nástroj při rešerši, programování a jazykových úpravách, nikoliv jako náhrada vlastní odborné práce studenta. Přes uvedené dílčí připomínky považuji práci za kvalitně zpracovanou a odborně přínosnou. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce se zabývá problematikou detekce jízdních pruhů pomocí metod hlubokého učení ve virtuálním prostředí se zaměřením na oblast autonomního řízení a systémů ADAS. Autor v práci zpracoval rozsáhlou rešerši současného stavu poznání v oblasti počítačového vidění, segmentace obrazu, senzoriky a problematiky spolehlivosti neuronových sítí. Stanovené cíle práce byly splněny v odpovídajícím rozsahu. Práce systematicky pokrývá zadanou problematiku a prokazuje dobrou orientaci autora v dané oblasti.
Použité metody a postupy odpovídají současnému stavu poznání v oblasti deep learningu a autonomního řízení. Autor vhodně kombinuje teoretickou rešerši s praktickou implementací metod detekce jízdních pruhů a správně volí přístupy odpovídající řešenému problému. Pozitivně hodnotím zejména detailní rozbor tradičních metod počítačového vidění i moderních architektur neuronových sítí, včetně problematiky uncertainty estimation. Rozsah práce odpovídá požadavkům kladeným na diplomovou práci.
Práce vykazuje vlastní přínos zejména v oblasti aplikace a evaluace metod detekce jízdních pruhů ve virtuálním prostředí a ve zdůraznění problematiky nadměrné jistoty neuronových sítí v safety-critical aplikacích. Přestože práce vychází z existujících metod a publikovaných přístupů, autor prokazuje schopnost jejich samostatného zpracování, interpretace a vhodného propojení s praktickou částí práce.
Dosažené výsledky jsou interpretovány správně a v širším kontextu autonomního řízení. Autor prokazuje schopnost analyzovat limity použitých metod, vliv meteorologických podmínek, kvality senzorických dat i problém tzv. reality gap mezi simulací a reálným prostředím. Vyvozené závěry odpovídají prezentovaným výsledkům a mají logickou návaznost na cíle práce.
Výsledky práce mají potenciální využití v oblasti systémů ADAS a autonomního řízení, zejména při návrhu robustnějších metod detekce jízdních pruhů a při implementaci mechanismů pro kvantifikaci nejistoty neuronových sítí. Práce přispívá k rozšíření současných poznatků v této oblasti a může sloužit jako vhodný základ pro další výzkum či navazující experimentální práce.
Po formální stránce je práce logicky strukturována, jednotlivé kapitoly na sebe vhodně navazují a text působí konzistentním odborným dojmem. Formální nedostatky jsou pouze drobného charakteru a nijak zásadně nesnižují kvalitu práce.
Grafická úroveň práce je velmi dobrá. Obrázky, schémata a tabulky vhodně doplňují text a přispívají k lepší orientaci v problematice. Stylistická úroveň odpovídá odbornému technickému textu a pravopisné chyby se vyskytují pouze ojediněle.
Autor pracoval s relevantní odbornou literaturou, včetně zahraničních zdrojů a aktuálních vědeckých článků zaměřených na autonomní řízení, počítačové vidění a hluboké učení. Citace jsou převážně správně uvedeny a odpovídají charakteru technické diplomové práce. Oceňuji využití moderních odborných zdrojů i skutečnost, že případné využití AI nástrojů nepůsobí nekriticky a nenahrazuje vlastní odbornou práci autora.
Celkově hodnotím diplomovou práci jako kvalitně zpracovanou práci s velmi dobrou odbornou úrovní, která splňuje požadavky kladené na diplomovou práci technického zaměření. Cíle diplomové práce byly bezezbytku splněny.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jaké jsou hlavní limity použití virtuálních datasetů při přenosu modelů do reálného provozu?
  2. Jakým způsobem lze prakticky implementovat odhad epistemické nejistoty v reálném čase?
  3. Jaké výhody a nevýhody mají architektury typu U-Net a DeepLabV3+ pro detekci jízdních pruhů?
  4. Jaký vliv má kvalita anotací datasetů na výslednou robustnost modelu?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová