Doctoral Thesis

Advanced spectral and image processing of hyperspectral data

Final Thesis 12.91 MB Appendix 22.27 MB Summary of Thesis 11.97 MB

Author of thesis: Mgr. Ondřej Vaculík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Mojmír Šerý, Ph.D.

Reviewers: RNDr. Josef Kapitán, Ph.D., doc. RNDr. Karel Žídek, Ph.D.

Abstract:

This doctoral thesis investigates hyperspectral imaging, a non-destructive spatio-spectral analysis technique, with the aim to streamline its data analysis and enhance its utility for routine plant and algal growth assessment. The text describes the structure of hyperspectral data and the principles of hyperspectral acquisition systems. The theoretical background covers hyperspectral data analysis using image processing, chemometric methods, and machine learning algorithms. Among the methods specifically explored are neural networks, spectral unmixing, and dimensionality reduction. A significant practical contribution of this work is the development of a hyperspectral microscope workstation. The experimental results from this system include verifying its spectral resolution and characterising it using a reference colour calibration slide. The dataset from this calibration slide was also utilised in the study of the effectiveness of dimensionality reduction and spectral unmixing algorithms, which is presented in this text. Furthermore, the hyperspectral microscope was successfully utilised for the identification and quantification of marine cyanobacteria mixtures.

Keywords:

hyperspectral imaging, microscopy, image processing, machine learning, neural networks, spectroscopy, spectral unmixing, dimensionality reduction

Date of defence

20.04.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Doktorand prokázal, že se orientuje přesvědčivě ve studované problematice. To se týká jak měřících experimentů, tak metod jejich vyhodnocení, včetně AI. Doktorand úspěšně odpověděl všechny dotazy oponentů i komise. Komise jednoznačně konstatuje, že doktorand při obhajobě prospěl a splňuje všechny pořadavky kladné na titul Ph.D.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (D-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
Mgr. Oto Brzobohatý, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Roman Gebauer, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Mojmír Šerý, Ph.D.

Mgr. Ondřej Vaculík se v rámci své dizertační práce zaměřil na výzkum hyperspektrálního zobrazování, zejména na zefektivnění analýzy hyperspektrálních dat pro rutinní hodnocení růstu rostlin a řas. V teoretické části práce se věnoval podrobné analýze struktury hyperspektrálních dat, principům hyperspektrálního snímání a metodám jejich zpracování, včetně využití chemometrie a algoritmů strojového učení. Mezi konkrétně zkoumané postupy patřily neuronové sítě, spektrální unmixing a metody redukce dimenzionality.

Významným přínosem doktorské práce Mgr. Ondřeje Vaculíka je vývoj a realizace unikátní hyperspektrální mikroskopické pracovní stanice, která umožňuje kombinaci prostorové a spektrální analýzy na mikroskopické úrovni. Experimentální část práce zahrnuje ověření spektrálního rozlišení navrženého mikroskopu, jeho kalibraci pomocí referenčního barevného testu a aplikaci tohoto systému při identifikaci a kvantifikaci směsí mořských sinic s vynikajícími výstupy. Výsledky práce byly prezentovány na mezinárodních konferencích a vedly k publikaci v odborných časopisech (Biomedical Optics Express, IF 2.9, 3 citace). Je spoluautorem dvou dalších publikací s kategorii Q1 a Q2, celkem autorem čtyř příspěvků na mezinárodních konferencích a spoluautorem dvou prototypů a tří funkčních vzorků.

Cíle doktorské práce splnil, autor navrhl a realizoval unikátní experimentální zařízení a přispěl k rozvoji nedestruktivních metod prostorově-spektrální analýzy v biologických aplikacích.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
RNDr. Josef Kapitán, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 225,90 kB

Reviewer’s report
doc. RNDr. Karel Žídek, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 232,79 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová