Bachelor's Thesis

Measurement of postural stability during firearm aiming in real, virtual, and mixed reality

Final Thesis 4.48 MB Appendix 21.04 kB

Author of thesis: Ondřej Cervan

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D., MBA

Reviewer: Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis addresses the design and experimental validation of a methodology for the multimodal assessment of postural stability during shooting with a handgun, which is intended to enable an objective comparison of the effects of real, virtual (VR), and mixed/augmented (AR) environments on the shooter. Based on the fusion of data from a pressure pad and inertial measurement units (IMUs), a software solution was developed in the MATLAB environment for their automatic synchronization and analysis; practical measurements of three shooting stances were conducted; and the technological limits of the augmented reality environment were analyzed. The result of this work is a functional evaluation system, including the experimental observation of paradoxical trunk stabilization in VR, which meets the requirements for precise biomechanical analysis and serves as a basis for potential integration into modern training simulators.

Keywords:

Postural stability, shooting stance, virtual reality (VR), augmented reality (AR), center of pressure (COP) analysis, inertial measurement unit (IMU), pressure mat, sensor fusion, biomechanics

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Mézl položil otázku: Zdůvodněte volbu mezní frekvence použitého filtru. Kolik hodnot je obsaženo v uvedeném boxplotu? Ing. Smital položil otázku: Jak dlouho trvalo měření? Jak vypadal protokol měření? Mgr. Čechová položila otázku: Jak probíhalo měŕení reálné oproti měŕení ve virtuální realitě? Student obhájil bakalářskou práci s výhradami a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Mézl, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Tibor Stračina, Ph.D. (člen)
Mgr. Monika Čechová, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Inna Zumberg (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D., MBA

Teoretická část je zpracována přehledně a opírá se o aktuální odbornou literaturu. Student dobře vymezil střelecké postoje, problematiku virtuální a augmentované reality i metody hodnocení posturální stability, přičemž volbu sledovaných parametrů (analýza trajektorie COP a kvaternionové metriky z IMU) věcně zdůvodnil oproti metrikám, které dostupné vybavení neumožňovalo měřit. Rešerše tak tvoří vhodný základ pro praktickou část.

Návrh experimentálního uspořádání je promyšlený a metodicky korektní. Kombinace tlakové podložky a dvou IMU jednotek umožňuje hodnotit stabilitu současně na globální i segmentální úrovni a doplňuje ji o relativní analýzu pohybu zbraně vůči trupu. Redukci původně uvažovaných čtyř senzorů na dva student racionálně odůvodnil ve vztahu k cílům práce.

Student vytvořil vlastní softwarové řešení v prostředí MATLAB, které svým rozsahem a kvalitou zvyšuje úroveň bakalářské práce. Student samostatně vyřešil netriviální úlohu automatické časové synchronizace dvou nezávislých zařízení bez hardwarového triggeru, implementoval korektní zpracování signálů a navrhl dávkové zpracování s konzistentními výstupy.

Prezentace výsledků představuje jednu z nejsilnějších částí práce. Výsledky jsou logicky členěny do tří úrovní analýzy – globální posturální stabilita, segmentální stabilita trupu a zbraně a jejich multimodální vztah, následně doplněny souhrnným radarovým profilem i klasifikací dominantního zdroje nestability. Grafické výstupy jsou přehledné a konzistentně popsané. Pozitivně hodnotím také to, že výsledky jsou interpretovány ve vztahu k biomechanickým souvislostem a porovnávány napříč postoji i experimentálními podmínkami.

Z výsledků jsou zajímavá zejména pozorování paradoxního zklidnění trupu ve VR a homogenizace postojů, doložená shodně více nezávislými metrikami. Za problematické ale považuji nedostatečné oddělení vlivu imerzivního prostředí od samotného fyzického působení headsetu. Pozorované „zklidnění trupu ve VR“ nemusí být výhradně důsledkem percepčního působení virtuální reality, ale mohlo být ovlivněno také biomechanickým efektem přibližně 500g zátěže umístěné na hlavě, která může vést ke změně držení hlavy, zpevnění krční oblasti a sekundárně i trupu. Student tuto možnost v kapitole 7.2 sám připouští, avšak zvolený experimentální design neumožňuje tyto vlivy spolehlivě oddělit. Vhodnou kontrolní podmínkou mohlo být například samostatné nasazení headsetu bez expozice virtuálnímu prostředí, případně využití passthrough režimu se zobrazením reálné místnosti. Absence takové kontrolní podmínky oslabuje hlavní interpretační závěr práce, protože není možné jednoznačně určit, zda pozorovaný efekt souvisí s imerzí, nebo spíše s mechanickým působením headsetu.

Menší nedostatek lze spatřovat také v kompozičním uspořádání některých částí práce. Například návrhy rozmístění IMU senzorů jsou uvedeny až na stranách 34 – 35, přestože jim již na stranách 28 – 29 předcházejí ukázky senzorů umístěných na těle.

Celkově práci hodnotím jako zdařilou s celkovým hodnocením 80 bodů. Points proposed by supervisor: 80

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Předložená práce studenta Ondřeje Cervana pojednává o měření stability střeleckých postojů. Práce má logickou strukturu a je rozdělena do 7 kapitol na celkem 51 stranách.
V rámci teoretické části práce student popisuje uvedení do pojmu stability a jejího hodnocení s ohledem na zaměření práce – tedy střelce s krátkou zbraní. V rámci teoretické části by bylo vhodnější nejprve definovat posturální stabilitu (kapitola 3) a teprve potom se věnovat konkrétní aplikaci (kapitola 1), případně prostředkům v kapitole 2. Student v těchto kapitolách dodržuje použití 1 reference na 1 odstavec, tím pádem výsledný text působí v některých částech nekonzistentně a informace jsou mezi odstavci opakovány. U popisu Equilibrum skóre a Indexu posturální stability mi chybí buď rovnice nebo vysvětlující ilustrace.
Praktická část je uvedena kapitolou 4 návrhem experimentu. K této kapitole mám několik výtek – místy text působí jako reklamní leták na jednotlivé použité komponenty – např. věta: „Konstrukční tloušťka plošiny
činí 8 mm. Nízký profil je klíčový, neboť minimalizuje nutnost pacienta překonávat
výškový rozdíl.“ je zcela irelevantní pokud zkoumáme stabilitu stoje. Nicméně návrh experimentu je v pořádku, kladně hodnotím snížení počtu IMU na dva. V textu postrádám popis použitého modelu zbraně – viz otázka. Kladně rovněž hodnotím diskuzi různých prostředí pro simulace v kapitole 4.4.
V rámci zpracování dat (kapitola 5) bych očekával ukázku jednotlivých signálů – např. vliv filtrace Butterworthovým filtrem, odvození rychlosti pohybu a další. V rámci kapitoly 5.2.1 je diskutován „softwarový trigger“ – nicméně popis je zvláštní: „Synchronizace je proto realizována na základě detekce společného pohybového
triggeru, okamžiku počátku měřeného pohybového projevu, jehož otisk je přítomen v obou datových zdrojích současně.“. Z této věty není zřejmé, jak byl pohyb realizován a zároveň bych ocenil ukázku přímo v měřených datech s diskuzí možné přesnosti synchronizace. Stejně  tak popis metrik v sekci 5.2.5 by bylo vhodnější doplnit ukázkou jednotlivých parametrů s ohledem na měřená dat, aby bylo možné posoudit, že návrh metrik je korektní.
Samotné vyhodnocení je ovlivněno měřením pouze jednoho subjektu. Srovnání výsledků mezi reálnými a stimulovanými (VR) podmínkami je tak zatíženo nízkou variabilitou dat. Přesto hodnotím závěry práce jako zajímavé a v budoucnu by na této práci metodicky šlo stavět.
Z formálního pohledu mám zásadní výtky k neodkazování na obrázky v textu v některých kapitolách. Práce cituje relevantní literaturu v počtu 45 položek, což je dostačující množství.
Práce jako celek splňuje požadavky na bakalářskou práci, nicméně v rámci zpracování dat a prezentace dílčích kroků řešení mohla být názornější. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení dobře (C - 78 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Přibližte komisi model zbraně, který jste používal? Je to Vaše řešení nebo jste ho přebíral odněkud?
  2. 2) V praktické části je řešeno komplexní zpracování signálů. Proveďte praktickou ukázku surových dat jak z tlakové plošiny, tak i z IMU senzorů. Ukažte - princip synchronizace, filtraci signálů, odvození COP, výpočet jednotlivých metrik v práci popsaných.
Points proposed by reviewer: 78

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová