Master's Thesis

Methods for improving the classification of electroencephalographic data

Final Thesis 4.45 MB Appendix 17.56 MB

Author of thesis: Bc. Juraj Novosád

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Tinka

Reviewer: Muhammad Asad Zaheer

Abstract:

This thesis studies machine-learning methods for EEG-based brain-computer interfaces, with a focus on short-time-window classification suitable for future online BCI applications. Two new methods are proposed: a spatial data augmentation that uses the 3D arrangement of electrodes on the scalp, and a feature-extraction method that transforms EEG into a topographic video-like representation and classifies it with video architectures such as the Video Vision Transformer. Two reference augmentation methods (Gaussian noise addition, rotational augmentation) and three reference classification approaches (EEGNet, FBCSP and the Patched Brain Transformer) are also implemented. A subject aware evaluation framework based on Leave-One-Group-Out and per-subject K-fold cross-validation is designed and applied to the BCI Competition IV-2a dataset. EEGNet reaches the highest accuracy (47.4 % LOGO, 65.2 % K-fold), while the proposed augmentation produces results comparable to the baseline. The thesis further discusses limitations of the evaluated transformer models and proposes concrete directions for continuing this work.

Keywords:

Electroencephalography, MotorImagery, classification, BCI, HMI, augmentation, signal

Date of defence

25.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na dotazy oponenta rozhodla práci hodnotit stupněm A - výborně.

Topics for thesis defence

  1. The proposed augmentation method increases the variability of the training data. Why do you think this additional variability did not translate into better classification performance?
  2. EEGNet achieved the best results among all evaluated models. Based on your experiments, what are the main reasons why the transformer-based approaches performed worse?

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Information Technology and Artificial Intelligence (MITAI)

Specialization

Intelligent Devices (NIDE)

Composition of Committee

doc. Ing. František Zbořil, CSc. (předseda)
doc. Ing. Vladimír Janoušek, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Hrubý, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Rozman, Ph.D. (člen)
Dr. Ing. Petr Peringer (člen)
Ing. Tomáš Goldmann, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Tinka

Jelikož jsem byl celkově se studentovým nasazením i kvalitou práce spokojený a k práci nemám podstatné výhrady, navrhuji hodnocení výborně (A).

Evaluation criteria Verbal classification
Informace k zadání

Diplomová práce se věnovala poměrně složité tématice zpracování a klasifikace EEG dat. Práce byla koncipovaná jako výzkumná a vyžadovala velké množství úsilí jak po stránce experimentální, tak po stránce implementační, kde ani existující metody často nelze jednoduše převzít bez adaptace na konkrétní úlohu. Zadání tedy považuji za náročné.

Ačkoliv naměřené výsledky neodpovídají původním očekáváním, student se důkladně pokoušel zjistit příčiny a aktivně se mnou na toto téma konzultoval. I vzhledem k tomu, že podobné problémy nejsou při práci s EEG daty ojedinělé, se domnívám, že by výsledky měření neměly mít negativní vliv na hodnocení.

S kvalitou práce jsem spokojený a zadání také považuji za splněné.

Aktivita při dokončování

Praktická část i technická zpráva byly konzultovány dlouhodobě a průběžně. Finální verze by sice mohla být dokončena s vetším předstihem, ale na druhou stranu se student snažil do poslední chvíle dosáhnout lepších výsledků, které by pak byly publikovatelné.

Publikační činnost, ocenění
Práce s literaturou

Student zvolil zcela adekvátní množinu relevantních odborných článků a stěžejní oborové literatury. Nemám výhrady.

Aktivita během řešení, konzultace, komunikace

Student byl aktivní a konzultoval průběžně po celou dobu řešení závěrečné práce.

Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Muhammad Asad Zaheer

Thesis covers all given tasks and include number of implementation and experimental work. The student has invested time and effort into thesis, even though the results does not beat the selected baseline approaches.

Evaluation criteria Verbal classification Points
Rozsah splnění požadavků zadání

Evaluation level: zadání splněno pouze částečně s drobnými výhradami

The thesis fulfills main objectives defined in the assignment. It shows the understanding of EEG, augmentation, feature extraction, and evaluation techniques. Methods are designed and implemented, alongside several baseline approaches for comparison. A comprehensive experimental framework is applied.

Rozsah technické zprávy

Evaluation level: je v obvyklém rozmezí

The technical report submitted  by student meets the required scope for a thesis and includes all important parts. A few topics are explained in more detail than necessary, while some practical sections could have been written in a shorter and clearer way.

Prezentační úroveň technické zprávy

The report has a generally logical structure and includes important parts. However, some chapters are too descriptive, which reduces readability and logical flow. Despite these issues, the thesis remains understandable.

89
Formální úprava technické zprávy

The thesis is formally prepared in a good form and follows the citation standards. The overaqll language is clear and understandable.

93
Práce s literaturou

The thesis uses relevant sources related to EEG processing and machine learning, and the literature is generally well aligned with the topic. Moreover, I didn't find any citation problem.

91
Realizační výstup

The solution is extensive and includes the implementation of augmentation methods, classification models, and evaluation pipelines. The functionality was verified by a number of experiments.

91
Využitelnost výsledků

The thesis brings some interesting ideas. The proposed methods did not provide a clear improvement over existing approaches, so the results are not strong enough for publication in current form.

Náročnost zadání

Evaluation level: obtížnější zadání

This assignment is difficult because it combines several advanced areas like EEG signal processing, data augmentation, and deep learning models. Handling multi-channel EEG data and applying transformations, which makes the preprocessing stage more complex than normal projects.

Moreover, converting EEG signals into image and video like formats and then using transformer models requires a good understanding of both signal processing and modern neural network architectures. This combination of different techniques increases the overall complexity of the work.

Topics for thesis defence:
  1. EEGNet achieved the best results among all evaluated models. Based on your experiments, what are the main reasons why the transformer-based approaches performed worse?
  2. The proposed augmentation method increases the variability of the training data. Why do you think this additional variability did not translate into better classification performance?
Points proposed by reviewer: 91

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová