Bachelor's Thesis

Analysis and modeling of human head dynamics

Final Thesis 3.27 MB Appendix 5.39 MB

Author of thesis: Jan Němec

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Adam Chromý, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Šopák

Abstract:

This thesis deals with the modeling of the human head. The theoretical part discusses the current state of head modeling and describes the tools required for the practical identification of the model. The practical part describes the experimental procedure and the subsequent identification. Furthermore, the obtained results are compared with the outcomes of the theoretical part.

Keywords:

Identification, motion-tracking, VICON, Cybernetic model, telepresence, imersivity

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci s výhradami. V rámci obhajoby dokázal přesvědčit komisi o správnosti svých postupů a navrženého řešení. V průběhu odborné rozpravy reagoval na dotazy oponenta. Dále zodpověděl dotazy týkající se určení středu hlavy a definování počátku souřadného systému, dále symetrického rozmístění markerů a způsobu získání odezvy rotace hlavy.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. (předseda)
prof. Ing. Luděk Žalud, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
Ing. Adam Chromý, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Adam Chromý, Ph.D.

Cílem předložené BP bylo vytvoření kybernetického modelu hlavy člověka pro potřeby simulace a návrhu teleprezenčních systémů, a to zejména v kontextu dynamiky při jejím pohybu. Cílem práce bylo na základě rešerše SotA navrhnout a provést experimentální měření, identifikovat dynamický model a vytvořit odpovídající simulační výstup. Tyto cíle byly v podstatných bodech splněny. Rozsahem se práce pohybuje na hranici dostatečnosti, text od úvodu po závěr má 30 stran.
Práce s literaturou je spíše slabší částí celku. Student využil několik odborných zdrojů z oblasti teleprezence, motion-trackingu a modelování pohybu hlavy. Rešerše poskytuje určitý základní přehled problematiky, avšak jde jen o výčet a popis vědeckých prací, a to omezený a nepokrývající kompletní SotA. Chybí následné kritické porovnání jednotlivých přístupů. Na konci teoretické části (která je ne zcela vhodně rozdělena do 3 kapitol nejvyšší úrovně, kdy jedna z nich má např. jen 1 stranu) mi chybí shrnutí, co si z vytvořené rešerše student odnesl, co z ní použil a proč. V Návrhu experimentu pak postrádám jakoukoliv vazbu na tuto rešerši.
Po odborné stránce považuji za hlavní přínos práce praktickou realizaci měření s využitím motion-tracking systému VICON a následné zpracování naměřených dat. Student navrhl vhodný vlastní experimentální postup, provedl pilotní měření, identifikoval jeho nedostatky a následně metodiku upravil. Výsledky jsou porovnány s literaturou a student přiměřeně diskutuje omezení dosažených výsledků, zejména vliv malého počtu subjektů a nepřesnosti měření reakční doby.
Prezentační úroveň práce je odpovídající BP. Struktura technické zprávy je logická. Jazyková a formální úroveň je přijatelná, avšak nikoliv bez výhrad. V textu se objevují stylistické neobratnosti, drobné jazykové chyby a některé formulace by zasloužily přesnější odborné vyjádření. Tyto nedostatky však zásadně nesnižují srozumitelnost práce.
Výsledky práce jsou využitelné pro navazující výzkum. Za prakticky významný považuji nejen samotný soubor identifikovaných parametrů, ale také ověřený experimentální postup a identifikovaná omezení měření. Realizační výstup v podobě simulačního modelu a animace vhodně dokládá praktické naplnění zadání.
Student práci pravidelně konzultoval. V počáteční fázi potřeboval poměrně výrazné vedení, zejména při formulaci odborného postupu a konkretizaci experimentální metodiky. V průběhu řešení se však znatelně zlepšil, postupně získal větší samostatnost a v závěrečné fázi pracoval již zcela samostatně. Na připomínky reagoval konstruktivně a byl schopen je zapracovat do výsledné podoby práce.
Antiplagiátorská kontrola neprokázala problematické shody. Práci považuji za původní.
Celkově práci doporučuji k obhajobě s hodnocením C – 73 bodů. Points proposed by supervisor: 73

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Petr Šopák

Úkolem studenta Jana Němce bylo navrhnout a experimentálně ověřit kybernetický model dynamiky lidské hlavy pro řízení teleprezenčních systémů. Student se měl seznámit se systémem VICON a zpracovat rešerši dosavadních modelů. Dále měl navrhnout a pilotně ověřit metodu měření, sestavit model a provést měření na vzorku populace. Výsledky pak měl porovnat s literaturou.
Hlavní slabinu vidím v metodice. Celá identifikace předpokládá tři nezávislé jednorozměrné systémy pro rotace kolem os, tento předpoklad ale není zajištěn. Sám student u subjektu S1 uvádí, že se mu nepodařilo zbavit vazby mezi osami. Krční páteř je přitom kloubový řetězec, takže se pohyb kolem jedné osy zákonitě promítá i do ostatních. Z práce dále nedokážu určit, vůči jakému souřadnému systému jsou úhly natočení vyhodnocovány, ani zda a jak jsou tyto hodnoty sjednoceny mezi subjekty do společné soustavy nutné pro vzájemné porovnání. Markery jsou upevněny na pružných gumových páscích, které se podle popisu na každou hlavu stahují individuálně, takže se orientace snímaného objektu mezi subjekty může lišit a vnášet systematickou odchylku, kterou práce nijak nekvantifikuje. Pochybnost umocňují snímky 4.2 a 4.3, kde je rozmístění markerů téměř symetrické, ačkoli student sám správně uvádí nutnost asymetrie pro jednoznačné určení orientace.
Z toho plyne, že většina parametrů stojí na vratkých základech. Dopravní zpoždění je dle vlastního přiznání změřeno chybně, přesto je použito v simulaci. Pohyb trupu student vyčíslil (jeho příspěvek činí až 7 %), ale dále jej nekompenzuje. Identifikované parametry jsou pro každý subjekt uvedeny v tabulkách 5.1 až 5.3 jako intervaly z aproximace. Postrádám u nich bližší statistické zpracování, závislosti parametrů na věku a pohlaví zůstávají jen u slovního popisu, bez proložení či vyčíslení. Model v prostředí Simulink, který je samostatným bodem zadání, není validován. Běží na hodnotách ručně zvolených z naměřených rozsahů, nikoli na parametrech konkrétního subjektu, a simulovaná odezva se nikde neporovnává s reálně naměřenou. Student v závěru kapitoly 7 z řádové shody s jediným zdrojem usuzuje, že parametry odpovídají systému hlavy. To je ale příliš silný závěr, shoda s jednou studií ještě model neověřuje.
Práce o rozsahu přibližně 30 stran textu je strukturována do zhruba 8 stran teoretické části a 22 stran návrhu měření, vyhodnocení a simulace, přičemž značnou část praktické části tvoří grafy. Svým rozsahem odpovídá obvyklé zátěži kladené na studenta ÚAMT. U části grafů chybí popis jednotek os a text praktické části je místy vágní. Student využívá 24 zdrojů, jejichž forma citací neodpovídá normě ČSN ISO 690:2022. Práci lze ale označit za původní.
Přes uvedené výhrady je patrné, že student dokázal navrhnout a zrealizovat experiment, na základě pilotního testu odhalit jeho slabiny a postup zlepšit, a že je vůči vadám vlastní metodiky sebekritický. Práce svědčí o bakalářských schopnostech studenta, byť metodické nedostatky výrazně snižují důvěryhodnost dosažených výsledků. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení D / uspokojivě – 65 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Vůči jaké soustavě souřadnic vyhodnocujete úhly natočení hlavy a jak je tato soustava určena u každého subjektu? Jak zajišťujete srovnatelnost naměřených úhlů mezi subjekty?
  2. Zobrazte přehledně rozmístění reflexních markerů na čelence i na hrudním postroji a vysvětlete, proč jsou umístěny právě takto. Dále popište umístění laseru na čelence a vysvětlete, k čemu v experimentu sloužil.
  3. Doplňte základní statistické zpracování naměřených hodnot a diskutujte, co z něj plyne pro závislost parametrů na věku a pohlaví.
Points proposed by reviewer: 65

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová