Master's Thesis

Modeling of multispectral camera and its application in object detection

Final Thesis 8.12 MB Appendix 49.02 kB

Author of thesis: Ing. Tomáš Vacek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D.

Reviewer: prof. RNDr. Miloslav Druckmüller, CSc.

Abstract:

This thesis focuses on the development and validation of a parametric multispectral camera model. During the design of a multispectral camera, optimal filter selection is critical. Any errors could render the camera unusable for a given application. To aid the process, the model implements a mathematical simulation of the optical pathway for each spectral band. It calculates the output image based on the Relative Spectral Response (RSR) of the optical pathway and hyperspectral input with high spectral resolution.

The model was then validated against MicaSense Altum-PT. The Spectral Angle Mapper (SAM) results demonstrated a difference of less than 0.066 rad for Lambertian materials. Furthermore, the model is showcased in a contrast enhancement task, where it is used for identification of optimal filters.

The final simulation package offers a fully automated simulation pipeline and was published as an open-source Python package to PyPI under the name ms_camera_model.

Keywords:

multispectral camera, hyperspectral camera, simulation model, MicaSense, Specim

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Jaká je koncová aplikace zařízení? Jaký vliv má přisvícení scény s definovanou vlnovou délkou? Obhajoba byla komisí hodnocena jako výborná.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (N-MET-P)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D.

Tomáš Vacek se ve své práci věnuje návrhu a realizaci parametrického modelu multispektrální kamery. Validace byla provedena na reálných datech z hyperspektrální kamery. Práce byla realizována ve spolupráci s Univerzitou obrany. Diplomová práce je dobře strukturována, je psána výbornou angličtinou a je tak využitelná i mimo relativně úzký okruh odborníků v této problematice v ČR.

Cíle práce byly beze zbytku splněny, velmi kladně hodnotím zveřejnění zdrojových kódů jako open-source. Práce dle mého názoru splňuje všechny podmínky na tento typ práce kladené.

Pan Vacek pracoval samostatně a iniciativně, pravidelně konzultoval a s jeho přístupem jsem byl spokojen. 

Práci hodnotím známkou Výborně, tedy A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. RNDr. Miloslav Druckmüller, CSc.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem, implementací a validací parametrického modelu multispektrální kamery. Autor si  stanovil tři hlavní cíle: vytvoření modelu, jeho validaci pomocí reálných dat a aplikaci simulovaného obrazu pro zvýšení kontrastu hledaných objektů.

Práce má logickou strukturu, dobrou odbornou úroveň a kvaltní formální zpracování. Teoretická část, kapitola 2, svědčí o dobré orientaci autora v oblasti spektrálního zobrazování, fyzikálních vlastností optických komponent a metodiky radiometrické kalibrace.

Hlavním přínosem práce je vytvoření matematického aparátu pro simulaci optické cesty jednotlivých spektrálních pásem na základě hyperspektrálních dat a inplementace v jazyce Python. Výsledný kód je zveřejněn jako open-source.

Klíčovou částí práce je validace modelu pro kameru MicaSense Altum-PT. Autor prokázal vysokou shodu simulovaných dat s reálným měřením  u dokonale matných (lambertovských) povrchů. K hodnocení byla užita metrika SAM (Spectral Angle Mapper), která se používá  v dálkovém průzkumu Země při analýze hyperspektrálních dat.  Rozdíl v SAM menší než 0,066 rad je výborný výsledek.

Aplikační část, kapitola 6.2, demonstruje praktickou využitelnost modelu pro výběr optimálních filtrů za účelem zvýšení kontrastu plastových částí vozidla proti pozadí. Tato část jasně ukazuje, jak může simulace zlevnit a urychlit vývoj specifických multispektrálních systémů.

Závěrem konstatuji, že diplomová práce Bc. Tomáše Vacka má výbornou úroveň, obsahuje významný podíl vlastní inženýrské práce a má přímé praktické využití. Práce splňuje všechny požadavky kladené na diplomovou a proto ji doporučuji k obhajově s hodnocením A/výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Jak velkou roli hraje aditivní šum v analyzovaném obraze?
  2. Práce řeší případ matných povrchů. Jak složité a proveditelné by bylo zobecnění na nelambertovské (částečně lesklé) povchy?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová