Master's Thesis

Projective geometric algebra (PGA) in virtual reality (VR)

Final Thesis 1005.69 kB Appendix 2.02 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Hekrle

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D.

Reviewer: Ing. Roman Byrtus

Abstract:

This master's thesis deals with the application of Projective Geometric Algebra (PGA) to solve problems in three-dimensional kinematics and computer vision. The first part of the thesis is dedicated to theoretical foundations, demonstrating how the transition from standard geometric algebra to its projective extension enables a unified and elegant description of both translations and rotations using a universal two-sided product and motors. On a theoretical application level, the thesis presents the use of this mathematical framework for the geometric formulation of 3D scene reconstruction from a binocular camera system. The practical contribution lies in the application of Gram-Schmidt orthogonalization to construct a stable local reference basis. The functionality of this algebraic approach is verified in the Python programming language through the analysis of real spatial data recording the motion of a parachutist. The results demonstrate that PGA represents a highly robust mathematical tool for the analysis of dynamics and spatial orientation, with direct applications in the fields of virtual reality.

Keywords:

Projective Geometric Algebra, PGA, Geometric Algebra, 3D scene reconstruction, binocular vision, kinematics, Gram-Schmidt orthogonalization, motion analysis, Python, virtual reality

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student odprezentoval svoji práci. Vedoucí i oponent přečetli své posudky. Oponent položil otázky z posudku, na které student uspokojivě odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mathematical Engineering (N-MAI-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Zdeněk Pospíšil, Dr. (předseda)
prof. Mgr. Pavel Řehák, Ph.D. (místopředseda)
doc. Mgr. Zuzana Hübnerová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Zdeněk Opluštil, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D.

Práce se skládá se dvou částí. První část je poměrně hluboký úvod do projektivní geometrické algebry (PGA). Tato část vychází z knihy  [1] Doran C, Lasenby A. 2003 Geometric Algebra for Physicists. Teoretické úvahy jsou převzaty a doplněny větším množstvím příkladů, které pěkně demonstrují jednotlivé pojmy. Zajímavé je, že některé geometrické úvahy se v jiné literatuře neobjevují (např. kap. 2.1. - součin vektoru s bivektorem).  Taky je zajímavá diskuze rozdílu reflexe polárního a axiálního vektoru (2.5.1)

Druhá část obsahuje dvě implementace ve zvoleném výpočetním prostředí (pythonovský balík kingdon). První aplikace 3D rekonstrukce scény demonstruje, jak je možné PGA využít při dopočítávání objektu z projekce na dvojici kamer. Jedná se o demonstraci principů včetně konkrétního příkladu.  Druhá aplikace analýzy pohybu parašutisty pak využívá  metodu Gram-Schmidtovy ortogonalizace, kterou lze pěkně realizovat prostředky GA. Tento příklad pak využívá konkrétní data poskytnutá firmou E Sigma. Tyto data byla zpracována a výsledky byly vizualizovány.

Celkově práce obsahuje jak hluboký teoretický základ, tak navržené aplikace  a  konkrétní implementaci.  
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Roman Byrtus

Diplomová práce se zabývá problematikou geometrických algeber, konkrétně algebry G_3 a PGA. Autor splnil základní cíle zadání a prokázal orientaci v řešené problematice. V práci je zpracován teoretický úvod do geometrické a projektivní geometrické algebry. Na teoretickou část navazují vybrané aplikační části zaměřené na 3D rekonstrukci scény a ortogonalizační postupy.

Teoretická část využívá úzkého výběru právě dvou zmíněných geometrických algeber pro rozsáhlou geometrickou interpretaci matematického aparátu. Oceňuji velké množství výpočetně založených příkladů spolu s úvahami objasňujícími geometrický význam operací a prvků definovaných v této algebraické struktuře. Ve výsledku autor velmi vhodně zvolil praktickou strategii pro úvod do geometrických algeber, což považuji za jedno z hlavních pozitiv této práce. Jako přínosnější bych také vyzdvihl podsekci o dualitě v PGA. Jednou z výtek k teoretické části je slabší návaznost sekce věnované PGA na sekci zabývající se algebrou G_3. Zejména při zavádění obdobných geometrických transformací působí výklad PGA zbytečně izolovaně.

V úvodu aplikační části je zmíněná vybraná softwarová implementace geometrických algeber, konkrétně balíček kingdon pro jazyk Python. Autor zvolil poměrně novou a implementací pokročilou knihovnu, což oceňuji. Bohužel je její popis v následujícím textu velmi stručný a dále je využita až v závěru. Navazuje příklad využití PGA pro rekonstrukci 3D scény se dvěma kamerami s využitím pinhole modelu. Zde byla možnost využít uvedenou knihovnu pro implementaci řešení tohoto problému. Tato možnost však bohužel využita nebyla.

V závěru je přepis algoritmu Gramm-Schmidtovy ortogonalizace do jazyka geometrických algeber, který je dále využit pro nalezení ortogonální báze pro reprezentaci dat. Z aplikačního hlediska by bylo vhodné data škálovat už na začátku výpočtu, ovšem je použita pouze normalizace nalezené báze. Vzhledem k názvu práce by byla vhodná zmínka o vztahu této úlohy k virtuální realitě, taková zmínka však chybí. Dále není zřejmý důvod pro přechod z reprezentace v geometrické algebře do reprezentace maticové.

Po formální stránce je práce uspořádána přehledně, avšak v textu se vyskytují stylistické nedostatky, místy nepřesné formulace a nejednotnosti v zápisu. Některé pasáže působí zbytečně rozvláčně, některé obrázky nemají reference v textu. Grafická úprava je standardní, avšak bez výraznější přidané hodnoty. Práce s literaturou splňuje minimální požadavky, nicméně rozsah a způsob využití zdrojů neodpovídá zcela úrovni očekávané u kvalitní diplomové práce.

Předložená práce i přes uvedené výhrady splňuje požadavky kladené na diplomovou práci. Doporučuji ji k obhajobě a navrhuji celkové hodnocení C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací D
Topics for thesis defence:
  1. Prosím o objasnění pojmu homogenní prostor a transformační zákon.
  2. Jaká je definice levé kontrakce?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová