Master's Thesis

Application of image processing methods in the field of technical diagnostics and machine maintenance

Final Thesis 3.96 MB Appendix 89.95 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Dejmek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Daniel Zuth, Ph.D.

Reviewer: Ing. Tomáš Marada, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the application of image processing methods in the field of technical diagnostics and machine maintenance. The motivation for this work is the growing effort within the context of Industry 4.0 to replace human inspection with objective computer vision algorithms. The theoretical part discusses the current state of technical diagnostics, describes the basic principles of digital images, and analyzes image processing methods. The practical part focuses on the implementation of image processing methods using the Python programming language, the OpenCV library, and the Streamlit web framework. Five interactive technological demonstrators addressing typical diagnostic tasks were created. These include the automation of tribodiagnostics, 3D surface reconstruction using laser triangulation, contactless measurement of dynamic phenomena using the optical flow method, thermovision detection of hotspots on photovoltaic panels, and automated dimensional control of geometric tolerances. These demonstrators serve for the experimental verification of the proposed procedures and are therefore not software ready for industrial practice. The conclusion evaluates the limitations of these test solutions, particularly their sensitivity to the acquisition apparatus, noise, and lighting. Furthermore, recommendations for their real-world deployment are formulated.

Keywords:

Technical diagnostics, image processing, computer vision, predictive maintenance, visual inspection, Industry 4.0, Python, OpenCV, Streamlit

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Prezentace: - Cíle práce - Motivace práce - Zpracování obrazu - Použité technologie - Analýza ferografických snímků - Zpracování liniového laseru - Využití metod optického toku - Termovizní diagnostika - Rozměrová detekce - Zhodnocení a limity řešení - Závěr Student seznámil členy komise s výsledky své práce a odpověděl na všechny otázky oponenta. Otázky členů komise: - Jak byly definovány stavy a kontrola zda je vyhodnocení v pořádku. Zodpovězeno. - Kde byste obecně viděl roli kamerového zpracování obrazu v technické diagnostice? Zodpovězeno s drobnými nedostatky. - Jaké jsou základní hardwarové komponenty strojového vidění. Jaké paramety volíme u kamery? Zodpovězeno. - Co konkrétně vyhodnocujete v oblasti s využitím metod optického toku? Bylo by možné z vyhodnocení určit rychlost objektu? Zodpovězeno. Student bez problémů odpověděl na otázky komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Production Machines, Systems and Robots (N-VSR-P)

Composition of Committee

Ing. Tomáš Marek, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vetiška, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vlček (člen)
doc. Ing., Dipl.-Ing Michal Holub, Ph.D., FEng. (předseda)
Ing. Rostislav Huzlík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Kolář, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. Daniel Zuth, Ph.D.

Práce se zaměřuje na využití metod zpracování obrazu v oboru technické diagnostiky a údržby strojů v souladu s konceptem Průmyslu 4.0. V teoretické části se autor věnuje principům technické diagnostiky a uvádí příklady uplatnění obrazové analýzy v praxi. Následně student vytypoval pět základních úloh, na které aplikoval popsané metody. Nedílnou součástí práce je aplikace vytvořená v prostředí Streamlit, která umožňuje tyto úlohy spouštět a zkoumat, jaký vliv má změna parametrů na výsledek. Drobná výtka směřuje k vývojovým diagramům, které mohly být vloženy ve vektorové grafice, a dále k chybějícímu popisu licencí u použitých knihoven a vývojových prostředí.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
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 B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Tomáš Marada, Ph.D.

Cílem předložené diplomové práce byl návrh, implementace a ověření metod počítačového vidění pro automatizaci úloh v oblasti technické diagnostiky a údržby strojů. Jedná se o aktuální interdisciplinární téma, které v kontextu strategie Průmysl 4.0 kombinuje teoretické principy digitálního zpracování obrazu s praktickou softwarovou realizací v prostředí Python za využití knihovny OpenCV.

V rámci přípravy řešení byla pozornost věnována předzpracování dat, které se ukázalo jako kritické pro stabilitu následných analytických algoritmů v reálných podmínkách. Autor testoval vliv různých technik filtrace, zejména Gaussova rozostření a transformací jasu a kontrastu. Výsledky prokázaly, že precizní potlačení mikroskopického šumu v počáteční fázi je nezbytné pro úspěšnost hranových detektorů. Například u Cannyho detektoru vhodná filtrace zásadně eliminuje vznik desítek falešných objektů, které by jinak znehodnotily výslednou analýzu.

Jádrem práce je implementace pěti technologických demonstrátorů, které řeší různorodé diagnostické úlohy: od analýzy ferografických snímků přes 3D rekonstrukci povrchu laserovou triangulací až po bezkontaktní měření vibrací metodou optického toku. Autor detailně popisuje vývoj specifických algoritmů, jako je subpixelová detekce středu laserové čáry nebo využití statistického Z-skóre pro lokalizaci teplotních anomálií na fotovoltaických panelech. Experimenty potvrdily, že lokální statistická analýza (Z-skóre) výrazně překonává standardní globální prahování (Otsuova metoda), které v komplexních termografických scénách s nerovnoměrným osvětlením často selhává.

S využitím frameworku Streamlit byla vytvořena ucelená sada interaktivních aplikací. Ty umožňují uživateli pohodlně konfigurovat parametry zpracování v reálném čase (např. velikosti výpočetních oken či prahové hodnoty) a okamžitě vizualizovat vliv těchto změn na výslednou detekci prostřednictvím tzv. vizuální pipeline. Celé řešení je plně zdokumentováno pomocí podrobných vývojových diagramů a vybaveno funkcemi pro export naměřených geometrických a statistických dat do formátů Excel a CSV.

Přestože je v práci minimum chyb, autor se nevyhnul drobným formálním a technickým nedopatřením. Příkladem je špatně formátovaný seznam použité literatury, kde je u položky číslo 40 rozhozené číslování. Podobný drobný nedostatek lze nalézt také u zdroje číslo 8, kde se v textu objevil překlep v příjmení vedoucího práce („Maz rek“). Tyto drobné chyby však mají charakter ojedinělých přehlédnutí a nijak nesnižují celkově vysokou odbornou, grafickou a metodickou úroveň předloženého díla. Grafická úroveň práce je na vysoké úrovni. Velmi přínosné jsou podrobné vývojové diagramy a bohatá obrazová dokumentace výsledků z aplikací. Autor pracoval s rozsáhlým souborem 40 zdrojů, který zahrnuje monografie, normy, odborné články i dokumentaci k softwarovým nástrojům. Citace v textu jsou prováděny důsledně a v souladu s akademickými standardy.

Práce splnila všechny stanovené cíle a vytvořila metodickou platformu vhodnou pro další vývoj. Výsledné řešení umožňuje nahradit subjektivní lidskou kontrolu objektivními algoritmy, což je klíčový přínos pro moderní systémy prediktivní údržby. Práce představuje hodnotný příspěvek k digitalizaci technické diagnostiky.

Cíle práce byly splněny a zadané téma lze považovat za splněné v požadovaném rozsahu.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
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
Topics for thesis defence:
  1. Pro reálné nasazení (např. u laserové triangulace) zmiňujete nutnost hardwarové synchronizace s pohybem linky a integraci s PLC. Jak byste v praxi řešil latenci mezi pořízením snímku kamerou a odesláním signálu do PLC (např. pro vyřazení vadného kusu), aby výpočetní čas Vašeho algoritmu nezpomaloval takt výrobní linky?
  2. V závěru práce uvádíte, že pro nasazení v reálném čase by bylo vhodnější použít kompilované jazyky jako C++ místo použitého Pythonu. Zvládnou Vaše vytvořené demonstrační aplikace v prostředí Python a frameworku Streamlit v současné podobě běžet v reálném čase? Pokud ne, která z Vašich pěti aplikací by byla z hlediska portace do C++ nejnáročnější a jaké konkrétní problémy v jejím výpočetním řetězci by i po změně jazyka mohly bránit dosažení plynulého zpracování v reálném čase?
  3. Vaše demonstrační aplikace jsou postaveny na interaktivním ladění parametrů (prahy, velikosti oken) uživatelem v reálném čase pomocí frameworku Streamlit. V reálném průmyslovém provozu se mohou světelné podmínky nebo prašnost dynamicky měnit. Jakým způsobem byste modifikoval svůj algoritmus pro detekci hotspotů (Z-skóre), aby se dokázal adaptovat na měnící se prostředí automaticky bez nutnosti manuálního posouvání parametrů operátorem?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová