Národní úložiště šedé literatury

Automatická kalibrace dohledové kamery pozorováním rigidních objektů
Bartl, Vojtěch; Buchholz, Michael; Hurtík, Petr; Herout, Adam
2024 - anglický Tato práce je zaměřena na automatickou kalibraci kamery na základě vícečetných pozorování libovolných rigidních předmětů. Na základě pozorování rigidních objektů pohybujících se ve společné rovině jsme schopni kalibrovat kameru vzhledem ke společné rovině, a tak jsme schopni provádět měření ve scéně. Objekty v rovině obrazu jsou detekovány a klasifikovány a význačné body na těchto objektech jsou lokalizovány. Motivací bylo použití těchto metod v dopravním prostředí, proto naše "objekty" jsou nejčastěji vozidla. Navrhujeme tři různé metody, které jsou schopny vypočítat kalibraci kamery na základě těchto lokalizovaných význačných bodů v rovině obrazu s jediným omezením - musí být známy 3D modely, ale ty mohou být známy kalibračnímu systému ještě před samotnou kalibrací. Proces kalibrace kamery je pak plně automatický a žádné další informace nejsou již potřeba. Na rozdíl od předchozích aktuálních metod pro automatickou kalibraci kamery, navržené metody jsou schopny odhadnout všechny parametry kamery (včetně ohniskové vzdálenosti). Vytvořili jsme rovněž nový dataset BrnoCarPark , který obsahuje záznamy různých scén a detekovaná vozidla spolu s lokalizovanými význačnými body. K dispozici jsou měření vzdáleností ve scénách, která mohou být přepočítány pomocí vypočtených parametrů kalibrace kamery. Všechny navrhované metody překonávají současné aktuální metody. Vyhodnotili jsme naše metody na zkonstruovaném datasetu a také dalším datasetu BrnoCompSpeed . Také jsme provedli experimenty na syntetických datech, které prokazují stabilitu a použitelnost navrhovaných metod. This work is focused on automatic camera calibration based on multiple observations of arbitrary rigid objects. Based on observations of rigid objects moving in a common plane, we are able to calibrate camera w.r.t. the plane, and thus we are able to do measurements in a scene. Objects in the image plane are detected, and classified, and landmarks on these objects are localized. Our motivation was the usage of these methods in traffic scenarios, and thus as our ''objects'' we consider vehicles. We propose three different methods that are able to compute camera calibration based on these localized landmarks in an image plane with the only limitation - 3D models must be provided, but these can be known to the calibration system as a background. The camera calibration process is then fully automatic, and no more information is needed. Contrary to previous state-of-the-art methods for automatic camera calibration, the proposed methods are able to estimate all camera parameters (including focal length). We also collected a new dataset BrnoCarPark , which contains records of different scenes with detected vehicles and localized landmarks. Ground-truth measurements in scenes are available, and these can be re-computed by computed camera calibration parameters. All the proposed methods outperform the recent state-of-the-art method in an accurate manner. We evaluated our methods on the constructed dataset and also another dataset BrnoCompSpeed . We also made experiments on synthetic datasets, which prove the stability and usability of the proposed methods. Klíčová slova: Automatic Camera Calibration; Rigid Objects; Calibration Dataset; Vehicle Detection; Vehicle Classification; Landmarks Localization; Vehicle Re-Identification; Horizon Estimation; AI City Challenge; Automatická Kalibrace Kamery; Rigidní Objekty; Datová Sada pro Kalibraci; Detekce Vozidel; Klasifikace Vozidel; Lokalizace Význačných Bodů; Reidentifikace Vozidel; Odhad Horizontu; AI City Challenge Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Automatická kalibrace dohledové kamery pozorováním rigidních objektů

Tato práce je zaměřena na automatickou kalibraci kamery na základě vícečetných pozorování libovolných rigidních předmětů. Na základě pozorování rigidních objektů pohybujících se ve společné rovině ...

Bartl, Vojtěch; Buchholz, Michael; Hurtík, Petr; Herout, Adam
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Paralelní numerické řešení diferenciálních rovnic
Nečasová, Gabriela; Čermák, Martin; Kozek, Martin; Šátek, Václav
2024 - anglický Diferenciální rovnice se studují již vice než 300 let. Poprvé parciální diferenciální rovnice použil švýcarský matematik a právník Nicolaus Bernoulli v 18. století. Parciální diferenciální rovnice druhého řádu se používají k modelování široké škály jevů ve vědě, technice a matematice, například šíření světelných a zvukových vln, pohybu tekutin a šíření tepla. Práce se zabývá paralelním numerickým řešením parciálních diferenciálních rovnic. Parciální diferenciální rovnice druhého řádu jsou pomocí metody přímek převedeny na rozsáhlé soustavy obyčejných diferenciálních rovnic. Prostorové derivace v parciální diferenciální rovnici jsou nahrazeny různými typy konečných diferencí. Výsledné soustavy obyčejných diferenciálních rovnic (problémy počátečních hodnot) jsou řešeny paralelně pomocí Runge-Kutta metod a nově navržené metody vyššího řádu založené na Taylorově řadě. Numerické experimenty vybraných problémů jsou realizovány na superpočítači s různým počtem výpočetních uzlů. Výsledky ukazují, že metoda založená na Taylorově řadě výrazně překonává standardní Runge-Kutta metody. Differential equations have been studied for over 300 years. Partial differential equations were first used by the Swiss mathematician and lawyer Nicolaus Bernoulli in the 18th century. Second-order partial differential equations are used to model a wide range of phenomena in science, engineering, and mathematics, such as the propagation of light and sound waves, the motion of fluids, and the diffusion of heat. The thesis deals with the parallel numerical solution of partial differential equations. Second-order partial differential equations are transformed into large systems of ordinary differential equations using the method of lines. The spatial derivatives in the partial differential equation are replaced by various types of finite differences. The resulting large systems of ordinary differential equations (initial value problem) are solved in parallel using Runge-Kutta methods and the newly proposed higher-order method based on Taylor series. The numerical experiments of the selected problems are calculated using a supercomputer with different numbers of compute nodes. The results show that the Taylor-series-based numerical method significantly over-performs state-of-the-art Runge-Kutta methods. Klíčová slova: partial differential equations; ordinary differential equations; initial value problems; Taylor series; Runge-Kutta; method of lines; finite differences; parallel computations; supercomputers; parcilální diferenciální rovnice; obyčejné diferenciální rovnice; problémy počátečních hodnot; Taylorova řada; Runge-Kutta; metoda přímek; konečné diference; paralelní výpočty; superpočítače Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Paralelní numerické řešení diferenciálních rovnic

Diferenciální rovnice se studují již vice než 300 let. Poprvé parciální diferenciální rovnice použil švýcarský matematik a právník Nicolaus Bernoulli v 18. století. Parciální diferenciální rovnice ...

Nečasová, Gabriela; Čermák, Martin; Kozek, Martin; Šátek, Václav
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Rentgenová počítačová tomografie měkkých tkání
Kavková, Michaela; Tromba, Giuliana; Szabo-Rogers, Heather; Zikmund, Tomáš
2024 - anglický Abstrakt Průmyslová rentgenová počítačová mikro tomografie (mikro CT) je nedestruktivní zobrazovací technika používaná pro vizualizaci vnitřních struktur vzorků a tvorbu přesných 3D modelů. Jádro této práce se zaměřuje na praktickou implementaci průmyslového mikro CT v oblasti biologického výzkumu se zaměřením na zobrazování měkkých tkání. Cílem této práce bylo prozkoumat potenciál mikro CT zobrazování jako nedestruktivní metody pro vizualizaci měkkých tkání a navrhnout komplexní metodiku pro přípravu vzorků a analýzu získaných dat ve specializovaných programech. Na příkladu případových studií jsou prezentovány aplikace mikro CT zobrazování v různorodých oblastech výzkumu vývojové biologie, poskytující metodologii pro přesnou 3D analýzu vybraných struktur. V závěru práce je diskutován potenciál zobrazování průmyslovým mikro CT v biologickém výzkumu, zaměřeným na schopnosti identifikovat anatomické struktury, sledovat vývojové procesy a zlepšit naše chápání komplexních biologických systémů. Abstract Industrial X-ray micro computed tomography (micro CT) is a non-destructive imaging technique used for visualization of internal structures of samples and creation of precise 3D models. The core of this thesis revolves around the practical implementation of industrial micro CT in biological research with focus on the imaging of soft tissues. The aim of this study was to explore the potential of industrial micro CT as a non-destructive imaging tool for soft tissue visualization and to propose complex methodology for preparation of the sample and the analysis of obtained data in the specialized software. In the thesis the case studies showcasing the diverse applications of micro CT in various developmental biology research domains are presented, providing the methodology for precise 3D analysis of the selected structures. The thesis concludes by summarizing the transformative potential of industrial micro CT in biological research, highlighting its ability to unveil intricate anatomical structures, track developmental processes, and enhance our understanding of complex biological systems. Klíčová slova: X-ray micro computed tomography; soft tissues; advanced 3D imaging; micro CT contrasting protocols; Rentgenová počítačová tomografie; měkké tkáně; pokročilé 3D zobrazování; kontrastovací protokoly pro mikro CT Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Rentgenová počítačová tomografie měkkých tkání

Abstrakt Průmyslová rentgenová počítačová mikro tomografie (mikro CT) je nedestruktivní zobrazovací technika používaná pro vizualizaci vnitřních struktur vzorků a tvorbu přesných 3D modelů. Jádro této ...

Kavková, Michaela; Tromba, Giuliana; Szabo-Rogers, Heather; Zikmund, Tomáš
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Měření ionizujícího záření v mobilní robotice
Lázna, Tomáš; Duchoň,, František; Janda, Jiří; Žalud, Luděk
2024 - anglický Tato disertační práce se věnuje oblasti měření ionizujícího záření prostřednictvím autonomních robotických platforem, konkrétně pozemních robotů a bezpilotních leteckých systémů. Zaměřuje se na dva hlavní cíle, a to na radiační mapování a lokalizaci radioaktivních zdrojů. Autor představuje různé systémy pro detekci radiace a zabývá se jejich integrací na pozemní i vzdušné roboty. Nedílnou součástí výzkumu je vývoj metod pro zjištění pozic zářičů, a to nejen pomocí systematického průzkumu podél předem naplánované trasy, ale také s využitím aktivního upravování měřicí trajektorie za účelem zrychlení tohoto procesu. V rámci aktivní lokalizace jsou prověřovány také směrově citlivé senzory. Tato práce zkoumá i výhody spolupráce mezi pozemními a leteckými platformami, čímž demonstruje praktickou využitelnost prezentovaných postupů. Další oblastí využití robotů je trojrozměrné radiační mapování budov prostřednictvím bezpilotního letadla. Většina navržených algoritmů byla experimentálně ověřena v terénu. This thesis discusses ionizing radiation measurements conducted by autonomous robotic platforms, namely, unmanned ground vehicles and unmanned aircraft systems. The research comprises two fundamental tasks: radiation mapping and the localization of radioactive sources. The author introduces various radiation detection systems and explores their integrability into terrestrial and aerial robots. The experimentation is designed to develop methods for retrieving the positions of radiation emitters. The actual effort to produce such techniques embraces both systematic pre-planned surveys and active adjustment of the measurement trajectories to accelerate the process. Notably, this type of adjustment also involves directionally sensitive sensors. The thesis investigates the benefits of collaboration between ground and aerial platforms in detailed radiation mapping, exposing a practical application scenario. Furthermore, a possible use case rests in three-dimensional radiological characterization of a building via an unmanned aircraft. The majority of the proposed algorithms have been validated through real-world experiments that have confirmed their robustness and practicality. Klíčová slova: Radiation mapping; radiation source search; mobile robotics; cooperative robots; environmental monitoring; Radiační mapování; vyhledávání zdrojů radiace; mobilní robotika; kooperativní roboti; monitorování prostředí Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Měření ionizujícího záření v mobilní robotice

Tato disertační práce se věnuje oblasti měření ionizujícího záření prostřednictvím autonomních robotických platforem, konkrétně pozemních robotů a bezpilotních leteckých systémů. Zaměřuje se na dva ...

Lázna, Tomáš; Duchoň,, František; Janda, Jiří; Žalud, Luděk
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Popis šíření creepové trhliny v polymerních materiálech
Trávníček, Lukáš; Nezbedová,, Eva; Padovec,, Zdeněk; Hutař, Pavel
2024 - anglický Požadovaná životnost plastových trubek používaných v tlakových systémech je 50 let. Zároveň je však vyvíjen tlak na použití recyklovaných materiálů, které mají podstatně horší mechanické vlastnosti a samotné je pro výrobu tlakových polymerních potrubí nelze použít. Tyto dvě protichůdné podmínky jdou skloubit pomocí trubky vytvořené z více vrstev, kde pro kritické časti, kterými jsou vnější a vnitřní povrch, je použit moderní odolný materiál. Na druhou stranu pro střední vrstvu, jejíž mechanické vlastnosti nejsou tak důležité z pohledu dlouhodobé životnosti, je možno použit materiál recyklovaný. Hlavním cílem této práce je navrhnout geometrii popsaného vícevrstvého potrubí s využitím recyklovaného materiálu při zachování minimální požadované životnosti. Životnost polymerních trubek je poměrně náročné testovat za běžných provozních podmínek z časových důvodů. Je však možné ji odhadnout, neboť nejčastější mechanismus poškození je pomalé šíření trhliny. Metodika odhadu životnosti využívá parametrů lineární elastické lomové mechaniky pro popis šíření těchto trhlin. Důležitou součástí je pak simulace šíření trhliny v trubce metodou konečných prvků se zohledněním různých typů zatížení, kterým je trubka v provozu vystavena. Mezi tyto zatížení patří reziduální napětí a zatížení způsobené tíhou zeminy, dopravou nebo kameny, pokud je trubka zakopána. Pro určení reziduálního napětí byla vyvinuta metodika, která využívá kombinace experimentů a numerického modelování a která byla také použita. Případ zakopané trubky je také simulován pomocí metody konečných prvků. Část práce je věnována měření rychlosti šíření creepové trhliny pomocí CRB testů (cracked round bar) a následnému vyhodnocení experimentálních dat. Rychlost šíření creepové trhliny spolu s kombinací s výsledky numerického modelování bude použita pro stanovení odhadu životnosti vícevrstvé polymerní trubky obsahující recyklovaný materiál. The lifetime of plastic pipes for pressurized systems is demanded to be at least 50 years. At the same time, the potential for recycling plastic waste is unexploited, therefore, using recycled material in pressurized plastic systems might become a reality in the future. However, the recycled material has low mechanical properties compared to the virgin one, and is restricted for pressurized pipe applications. These two contradictory conditions can be combined using a pipe consisting of a few layers of different materials. It is necessary to use modern, durable material for the critical parts, which are inner and outer surfaces. On the other hand, for the main pipe, it is possible to use material with lower mechanical properties – recycled material. The main aim of the presented work is to design a multilayer polymer pipe, where the middle layer will contain recycled material and the demanded lifetime of 50 years will be met. The lifetime in operating conditions is difficult to prove by standard testing methods. However, it is possible to estimate the lifetime as the most frequently occurring damage mechanism is the slow crack growth. The methodology is based on the description of crack propagation by linear elastic fracture mechanics parameters. An important part of this methodology is a finite element simulation of crack propagation in a pipe loaded by different types of loads, such as residual stress, soil loading, loading from traffic, and point load caused by stones when a pipe is buried. For the determination of residual stress, a methodology taking advantage of experimental measurements and numerical modeling has been developed. The case of buried pipe is also studied by numerical modeling. Part of the presented work is dedicated to the experimental measurement of creep crack growth in CRB (cracked round bar) specimens with the necessary data evaluation. The creep crack growth combined with the results of numerical modeling will be implemented into an estimation of the lifetime of a multilayer pipe with recycled material content. Klíčová slova: recycled material; multilayer polymer pipes; finite element method; creep crack growth; linear elastic fracture mechanics; lifetime estimation; recyklovaný materiál; vícevrstvé polymerní trubky; metoda konečných prvků; šíření creepové trhliny; lineární elastická lomová mechanika; odhad životnosti Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Popis šíření creepové trhliny v polymerních materiálech

Požadovaná životnost plastových trubek používaných v tlakových systémech je 50 let. Zároveň je však vyvíjen tlak na použití recyklovaných materiálů, které mají podstatně horší mechanické vlastnosti a ...

Trávníček, Lukáš; Nezbedová,, Eva; Padovec,, Zdeněk; Hutař, Pavel
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Polymerní metamateriály s pokročilými mechanickými vlastnostmi
Štaffová, Martina; Lehocký,, Marian; Kotoul, Michal; Jančář, Josef
2024 - anglický Práce se zabývá 3D tištěnými polymerními auxetickými strukturami s důrazem na jejich mechanické vlastnosti. Pro zlepšení mechanických vlastností, zejména poměru schopnosti absorpce energie k hmotnosti při tlakovém zatížení, byly použity různé návrhy auxetických re-entrantních struktur. Struktury byly vytištěny pomocí stereolitografické 3D tiskárny. Byl vyvinut a systematicky demonstrován nový nástroj pro komplexní charakterizaci 3D tištěných těles s využitím komerční fotopolymerizační pryskyřice s volnými radikály. Metoda se opírá o statický a oscilační mechanický test kombinující měření teploty průhybu při zatížení (HDT) s dynamickou mechanickou analýzou (DMA) v jediném testu pro rychlou a spolehlivou charakterizaci parametrů určujících chování fotopolymeru při vytvrzování. Byly zkoumány podmínky tisku a doba vytvrzení, aby byl objasněn jejich vliv na vnitřní napětí v 3D tištěných tělesech. Auxetické struktury byly vytištěny pomocí flexibilní a tuhé pryskyřice a byl zkoumán vliv poréznosti, velikosti buněk a strukturálních gradientů na mechanické vlastnosti. Výsledky byly vyhodnoceny z konstrukčního a materiálového hlediska pro fotopryskyřice nad a pod Tg. Nejlepší účinnost absorbování energie byla zjištěna u biaxiálně orientované struktury s nejvyšší lokální porozitou umístěnou ve středu. Prezentovaná data přispívají k základnímu pochopení účinků designu buněk na deformační odezvu auxetických struktur a mohou pomoct při návrhu nových struktur s lepšími mechanickými vlastnostmi. Výsledky zároveň demonstrují všestrannost 3D tisku při realizaci komplexních, přírodou inspirovaných struktur. Thesis deals with 3D printed polymeric auxetic structures with an emphasis on their mechanical performance. Different designs of auxetic re-entrant cell architectures were used to enhance mechanical properties, especially the energy-absorption-to-weight ratio under compressive loading. The lattice structures were 3D printed by vat photopolymerization masked-stereolithography technique. A novel tool for the complex characterization of 3D printed bodies was developed and systematically demonstrated employing a commercial free-radical photopolymerization resin. The method relies on superimposed static and oscillatory mechanical test combining the heat deflection temperature (HDT) measurement with the dynamic mechanical analysis (DMA) in a single test for fast and reliable characterization of parameters determining the curing behavior of the photopolymer. The influence of printing conditions and post-curing time was investigated to elucidate their effects on residual stresses in 3D-printed cellular bodies. The auxetic architectures were printed using flexible and stiff resins, and the effect of porosity, cell size, and structural gradients was investigated. The results were evaluated from a structural and material point of view, comparing materials above and below Tg. The best energy-absorbing performance was found in a biaxially graded structure with a center-wise location of the highest local porosity. The presented data contribute to a fundamental understanding of the effects of lattice architecture on the deformation response of auxetic structures and identifies routes for structurally tuning the auxetic structures mechanical performance. In addition, the results demonstrate the versatility offered by additive manufacturing techniques in physically realizing complex nature inspired structural architectures. Klíčová slova: 3D printing; masked stereolithography; post processing; DMA; re-entrant auxetic structures; Poisson’s ratio; gradient; specific energy absorption; porosity; 3D tisk; stereolitografie; DMA; vytvrzení; re-entrantní auxetická struktura; Poissonův poměr; gradient; specifická absorpční energie; porozita Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Polymerní metamateriály s pokročilými mechanickými vlastnostmi

Práce se zabývá 3D tištěnými polymerními auxetickými strukturami s důrazem na jejich mechanické vlastnosti. Pro zlepšení mechanických vlastností, zejména poměru schopnosti absorpce energie k hmotnosti ...

Štaffová, Martina; Lehocký,, Marian; Kotoul, Michal; Jančář, Josef
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Nové materiály pro snímání a biosenzování
Jyoti, Jyoti; Mayorga, Paula; Cho, Nam-joon; Pumera, Martin
2024 - anglický Materiály na bázi 2D použité ve 3D tištěných elektrodách a nano/mikromotorech se staly špičkovými technologiemi. Získaly širokou pozornost díky svým výjimečným charakteristikám, které je předurčují pro použití v senzorových a biosenzorových aplikacích. Výzkum nabízí cenné vhledy prostřednictvím systematického výzkumu za účelem podpory pokroku v senzorových technologiích. 3D tištěné elektrody z nanouhlíku eliminují potřebu konvenčních elektrod tím, že poskytují výhody jako snadnou výrobu, rychlou produkci, vynikající přesnost a přizpůsobení tvarů v závislosti na našich požadavcích. V důsledku toho zjištění této práce zdůrazňují univerzálnost 3D tištěných elektrod z nanouhlíku v aplikacích, které zahrnují fenoly, pesticidy a biosensing, zejména detekci DNA. Dále jsme zkoumali aktivní kvantové materiály na bázi mikromotorů pro detekci DNA, stejně jako aplikace pro bezpečnost potravin. Tato technologie příští generace kombinuje atraktivní vlastnosti kvantových materiálů spolu s jejich autonomní pohyblivostí jako mikromotory, což detekci urychluje a nabízí cenově dostupné platformy pro senzoriku a bioanalýzu. Řešením výzev souvisejících s využitím analytu, zejména těch s rychlou akcí a toxicitou, práce zkoumá pokročilé metody detekce, které zahrnují moderní technologie nabízející inovativní řešení. Zjištění přispívají k probíhající evoluci technologií nezbytných pro řešení současných výzev v analytické chemii a bioanalytické chemii. The 2D material-based 3D-printed electrodes and nano/micromotors have emerged as the cutting-edge technologies. It has drawn widespread attention due to their distinctive characteristics that make them suitable for sensing and biosensing applications. The research offers valuable insights through systematic experimentation to promote advancements in sensing technologies. The 3D-printed nanocarbon electrodes have eliminated the need for the conventional electrodes by providing the benefits such as ease of fabrication, quick production, excellent precision and customization of the shapes depending upon our requirements. Consequently, the findings of this thesis highlight the versatility of 3D-printed nanocarbon electrodes in applications involving phenols, pesticides and biosensing, particularly DNA sensing. Next, we explored the active quantum materials-based micromotors for DNA detection as well the food safety applications. This next-generation technology combines the appealing features of the quantum materials along with their autonomous mobility as micromotors, which makes the detection fast and offers inexpensive platforms for sensing and bio-analysis. Thus, by addressing challenges related to analyte use, particularly those with rapid action and toxicity, the study explores advanced detection methods, incorporating modern technologies to offer innovative solutions. The findings contribute to the ongoing evolution of technologies crucial for addressing contemporary challenges in analytical chemistry and bioanalytical chemistry. Klíčová slova: 3D-printed electrodes; additive manufacturing; Fused deposition modelling; DNA sensing; active quantum micromotors; FRET phenomena; SEM; EDS; XPS; Fluorescence Spectroscopy; Salmonella typhimurium; 3D tištěné elektrody; aditivní výroba; fúzní depoziční modelování; snímání DNA; aktivní kvantové mikromotory; FRET jevy; SEM; EDS; XPS; fluorescenční spektroskopie; Salmonella typhimurium Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Nové materiály pro snímání a biosenzování

Materiály na bázi 2D použité ve 3D tištěných elektrodách a nano/mikromotorech se staly špičkovými technologiemi. Získaly širokou pozornost díky svým výjimečným charakteristikám, které je předurčují ...

Jyoti, Jyoti; Mayorga, Paula; Cho, Nam-joon; Pumera, Martin
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Elektrochemické studium nových materiálů pro aplikace přeměny energie
Novčić, Katarina; Rees, Neil; Kim, Daewoo; Pumera, Martin
2024 - anglický Slibnou alternativou k řešení současné energetické a environmentální krize spočívá v využití elektrochemického rozkladu vody pomocí reakce na vývoj vodíku (HER). Proto existuje naléhavá potřeba zkoumat a vyvíjet nové elektrokatalyzátory pro aplikaci přeměny energie a HER jako součást tohoto procesu. Různé nové materiály se ukázaly jako slibní elektrokatalyzátory pro HER. Mezi nimi mají dvourozměrné (2D) materiály, jako jsou dichalkogenidy přechodových kovů (TMD), MAX fáze a MXeny, velkou pozornost díky svým slibným elektrochemickým vlastnostem. Navíc tisk ve 3D otevřel cestu k rychlému prototypování a výrobě elektrodových zařízení, a jejich kombinace s různými 2D materiály zůstává výzvou. Tato práce se zabývá elektrochemickým studiem různých nových materiálů pro aplikace přeměny energie a čisté výroby vodíku. Představuje studium makroskopické a mikroskopické elektrochemické výkonnosti upravených 3D-tisknutých nanouhlíkových elektrod a elektrokatalyzátorů TMD, MAX fáze a MXen. Makroskopická elektrochemická aktivita je studována tradičními technikami, jako je voltametrie, poskytující informace o průměrném elektrochemickém výkonu materiálů. Kromě toho je jejich mikroskopická elektrochemická aktivita prováděna skenovací elektrochemickou mikroskopií (SECM), která poskytuje vhled do místních rozdílů v elektrochemické aktivitě materiálů a informace o distribuci a rovnoměrnosti HER aktivních míst na površích materiálů. Tato práce má široké důsledky pro obecné porozumění elektrokatalytickému výkonu nových 2D materiálů, což je důležité pro jejich budoucí vývoj jako elektrokatalyzátorů. A promising alternative to resolve the current energy and environmental crisis lies in the utilization of electrochemical water splitting via hydrogen evolution reaction (HER). Therefore, there is urgency for investigation and development of new electrocatalysts for the energy conversion application. Different novel materials have been promising electrocatalysts for the HER. Among them, two-dimensional (2D) materials such as transition metal dichalcogenides (TMDs), MAX phases and MXenes have drawn much attention due to their distinctive electrochemical properties. Even though 3D-printing opened the way for the fast prototyping and manufacturing of electrode devices, their merging with different 2D materials still remains challenging. This Thesis deals with the electrochemical study of different novel materials for energy conversion applications and clean hydrogen production. It represents a study on the macroscopic and microscopic electrochemical performance of modified 3D-printed nanocarbon electrodes and TMDs, MAX phase, and MXene electrocatalysts. The macroscopic electrochemical activity is examined by traditional techniques such as voltammetry, providing information about the average electrochemical performance of the materials. Additionally, their microscopic electrochemical activity is performed by scanning electrochemical microscopy (SECM), which gives an insight into the local differences in the materials' electrochemical activity and provides information about the distribution and uniformity of the HER active sites on the material surfaces. This Thesis has broad implications for the general understanding of the electrocatalytic performance of novel 2D materials, which is important for their future development as electrocatalysts. Klíčová slova: 2D materials; TMDs; MAX phases; MXenes; 3D-printing; energy conversion; hydrogen evolution reaction; scanning electrochemical microscopy; 2D materiály; 3D tisk; TMD; MAX fáze; MXeny; přeměna energie; reakce vývoje vodíku; skenovací elektrochemická mikroskopie Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Elektrochemické studium nových materiálů pro aplikace přeměny energie

Slibnou alternativou k řešení současné energetické a environmentální krize spočívá v využití elektrochemického rozkladu vody pomocí reakce na vývoj vodíku (HER). Proto existuje naléhavá potřeba ...

Novčić, Katarina; Rees, Neil; Kim, Daewoo; Pumera, Martin
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Privacy-Enhancing Technologies and Privacy-Enhancing Cryptography for Wearables
Casanova-Marqués, Raúl; Pendo,, Cristiano Gonçalves; PhD, Lukasz Michal Chmielewski,; Hajný, Jan
2024 - anglický The increasing concern surrounding privacy and the safeguarding of digital identities has emphasized the pressing necessity of establishing secure and confidential communication channels. This concern has led to the development of cryptographic mechanisms aimed at facilitating impervious information exchange. Nevertheless, traditional cryptographic approaches are proving insufficient in dynamic and resource-constrained environments, such as wearable devices. As a result, attribute-based credential schemes have emerged as a promising solution, offering fine-grained access control to digital services based on user-specific attributes. This doctoral thesis examines the efficacy and scalability of attribute-based anonymous credential schemes in ensuring the authenticity and security of users within dynamic architectures of wearable devices. It also explores enhancements to these schemes, with a primary focus on incorporating user revocation while maintaining privacy. Additionally, the thesis presents devised mechanisms to enable attribute-based authentication protocols on smart cards with limited support for elliptic curve cryptography. It addresses specific challenges associated with the usability of smart cards. Moreover, the thesis investigates the integration of anonymous authentication schemes in collaborative indoor positioning systems, aiming to provide privacy and security. Lastly, it explores the implementation of attribute-based authentication schemes in resource-constrained environments, with an emphasis on Internet of Things devices, and evaluates their feasibility within the dynamic architectures of wearable devices. The first contribution of this thesis introduces a purposefully designed protocol for anonymous authentication on smart cards. This protocol combines attribute-based credentials and user revocation while ensuring computational efficiency. To facilitate effective implementation and evaluation, the thesis employs smart cards equipped with the MULTOS operating system. The second contribution focuses on optimizing the capabilities of smart cards using Java Card technology for the implementation of attribute-based credential schemes. These smart cards are presented as a more accessible alternative for a wider consumer base. To overcome limitations in their application programming interface, the thesis devises strategies to augment the constrained support for elliptic curve cryptography and effectively implement such schemes. The third contribution presents the Privacy-Enhancing Authentication System, a robust solution compatible with smart cards, smartphones, and smartwatches. This system addresses the functional challenges associated with smart cards, including the absence of a graphical interface and limited user control over attribute disclosure. Consequently, it offers a practical and deployable solution for real-world scenarios. Finally, the thesis proposes a groundbreaking scheme to safeguard collaborative indoor positioning systems by addressing both privacy and security concerns. This scheme ensures the preservation of privacy and security by eliminating centralized architectures and employing encryption techniques for positioning information. The thesis includes comprehensive details such as protocol use cases, implementation specifics, execution benchmarks, and a comparative analysis with existing protocols. The increasing concern surrounding privacy and the safeguarding of digital identities has emphasized the pressing necessity of establishing secure and confidential communication channels. This concern has led to the development of cryptographic mechanisms aimed at facilitating impervious information exchange. Nevertheless, traditional cryptographic approaches are proving insufficient in dynamic and resource-constrained environments, such as wearable devices. As a result, attribute-based credential schemes have emerged as a promising solution, offering fine-grained access control to digital services based on user-specific attributes. This doctoral thesis examines the efficacy and scalability of attribute-based anonymous credential schemes in ensuring the authenticity and security of users within dynamic architectures of wearable devices. It also explores enhancements to these schemes, with a primary focus on incorporating user revocation while maintaining privacy. Additionally, the thesis presents devised mechanisms to enable attribute-based authentication protocols on smart cards with limited support for elliptic curve cryptography. It addresses specific challenges associated with the usability of smart cards. Moreover, the thesis investigates the integration of anonymous authentication schemes in collaborative indoor positioning systems, aiming to provide privacy and security. Lastly, it explores the implementation of attribute-based authentication schemes in resource-constrained environments, with an emphasis on Internet of Things devices, and evaluates their feasibility within the dynamic architectures of wearable devices. The first contribution of this thesis introduces a purposefully designed protocol for anonymous authentication on smart cards. This protocol combines attribute-based credentials and user revocation while ensuring computational efficiency. To facilitate effective implementation and evaluation, the thesis employs smart cards equipped with the MULTOS operating system. The second contribution focuses on optimizing the capabilities of smart cards using Java Card technology for the implementation of attribute-based credential schemes. These smart cards are presented as a more accessible alternative for a wider consumer base. To overcome limitations in their application programming interface, the thesis devises strategies to augment the constrained support for elliptic curve cryptography and effectively implement such schemes. The third contribution presents the Privacy-Enhancing Authentication System, a robust solution compatible with smart cards, smartphones, and smartwatches. This system addresses the functional challenges associated with smart cards, including the absence of a graphical interface and limited user control over attribute disclosure. Consequently, it offers a practical and deployable solution for real-world scenarios. Finally, the thesis proposes a groundbreaking scheme to safeguard collaborative indoor positioning systems by addressing both privacy and security concerns. This scheme ensures the preservation of privacy and security by eliminating centralized architectures and employing encryption techniques for positioning information. The thesis includes comprehensive details such as protocol use cases, implementation specifics, execution benchmarks, and a comparative analysis with existing protocols. Klíčová slova: Cryptographic protocols; attribute-based authentication; attribute-based credentials; privacy protection; anonymity; user revocation; smart cards; wearable architectures; Internet of Things; collaborative indoor positioning systems; elliptic curve cryptography.; Cryptographic protocols; attribute-based authentication; attribute-based credentials; privacy protection; anonymity; user revocation; smart cards; wearable architectures; Internet of Things; collaborative indoor positioning systems; elliptic curve cryptography. Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Privacy-Enhancing Technologies and Privacy-Enhancing Cryptography for Wearables

The increasing concern surrounding privacy and the safeguarding of digital identities has emphasized the pressing necessity of establishing secure and confidential communication channels. This concern ...

Casanova-Marqués, Raúl; Pendo,, Cristiano Gonçalves; PhD, Lukasz Michal Chmielewski,; Hajný, Jan
Vysoké učení technické v Brně, 2024

Holografická mikroskopie využívající koherenční brány
Ďuriš, Miroslav; Tyc,, Tomáš; Baránek,, Michal; Chmelík, Radim
2024 - anglický Výskumníci v oblasti biomedicíny a metapovrchov opakovane siahajú po kvantitatívnom fázovom zobrazovaní (QPI) ako primárnej zobrazovacej technike vďaka jej vysokovýkonnému, neinvazívnemu a kvantitatívnemu charakteru. Preto si QPI rýchlo vybudovalo svoju nepostrádateľnú úlohu pri identifikácii zriedkavých javov a skríningu v biomedicíne alebo automatizovanej analýze obrazových dát pomocou umelej inteligencie. Tieto a mnohé ďalšie aplikácie zdieľajú náročné splnieľnú požiadavku na rozsiahle a kvalitné súbory dát. Táto práca sa zaoberá základnými problémami optického zobrazovania a to hlavne v biomedicínskom výskume. Výskum v tejto práci je zameraný na štúdium a vývoj nových zobrazovacích metód rozšírením možností koherenciou riadeného holografického mikroskopu. V práci sme sa zaoberali tromi hlavnými oblasťami biomedicínskeho zobrazovania: zobrazovaním v kalnom prostredí, QPI so superrozlíšením a rekonštrukciou 3D rozloženia indexu lomu. Na dosiahnutie takýchto ambicióznych výsledkov sme využili takzvaný efekt koherenčnej brány, ktorý sa zvyčajne využíva na zobrazovanie cez nepriehľadné médiá najmenej rozptýleným (balistickým) svetlom. Zobrazovanie v kalných prostrediach adresujeme v tejto práci tak, že neintuitívne používame koherenčnú bránu na zobrazovanie nebalistickým svetlom, čo nám umožňuje získať informácie chýbajúce v balistickom obraze. Kombinácia obrazov pre rôzne pozície koherenčnej brány nám umožňuje syntetizovať obraz kvalitnejší ako prístupy využívajúce len balistické svetlo. Toto experimentálne demonštrujeme na kvantitatívnom zobrazovaní cez hrubé biologické tkanivo. V práci boli skúmané dva prístupy k superrozlíšeniu kvantitatívneho fázového obrazu. Prvým je prístup adaptujúci syntetickú apertúru, pre ktorý opäť využívame efekty koherenčného bránovania čiastočne koherentného svetla v kombinácii so šikmým osvetlením, ktoré zabezpečuje difrakcia na jednoduchej šesťuholníkovej fázovej mriežke umiestnenej v blízkosti vzorky. Syntetizujeme QPI s výrazne zväčšeným pásmom priestorových frekvencií zo sekvenčne získaných obrazov vytvorených koherenčne filtrovaným svetlom rozptýleným do každého difrakčného rádu mriežky. Ďalej sme vyvinuli metódu tvarovania koherenčnej brány, ktorá umožňuje QPI so superrozlíšením v reálnom čase. V práci navrhujeme prístup založený na skutočnosti, že rozptylová funkcia nášho systému je súčin difrakčne limitovaného obrazu bodového objektu a funkcie koherenčnej brány, ktorú tvarujeme podobne ako superoscilačný hotspot. Výsledok súčinu je rozptylová funkcia so sub-difrakčne limitovanou šírkou centrálneho peaku a so zanedbateľnými postrannými maximami, ktoré sú bežnou prekážkou zobrazovania pomocou superoscilácií. Útlm postranných maxím a zlepšenie rozlíšenia sa odohráva súčasne v celom zornom poli. Preto predstavujeme prvé jednosnímkové QPI so superrozlíšením. Pri oboch metódach sme dosiahli zlepšenie rozlíšenia aspoň o 19\%. V práci sa taktiež venujeme aj 3D zobrazovaniu pomocou koherenciou riadeného holografického mikroskopu. Vyvinuli sme metódu na rekonštrukciu 3D distribúcie indexu lomu zo série kvantitatívnych fázových obrazov vzorky pre rôzné pozície v axiálnom smere. Rekonštruovaná distribúcia indexu lomu má vlastnosti podobné výstupom optickej difrakčnej tomografie. Zároveň je ale potrebný počet akvizícií v prípade navrhovanej metódy výrazne nižší. Náš prístup demonštrujeme pomocou simulovaných, ako aj experimentálnych údajov. Biomedical and metasurface researchers repeatedly reach for quantitative phase imaging (QPI) as their primary imaging technique due to its high-throughput, label-free, quantitative nature. Therefore, QPI has quickly established its role in identifying rare events and screening in biomedicine or automated image data analysis using artificial intelligence. These and many other applications share the requirement for extensive high-quality datasets, which is challenging to meet due to obstacles specific to each application. This thesis tackles the principal problems of optical imaging, mainly in biomedical research. The research aimed to study and develop new imaging methods by extending the capabilities of the coherence-controlled holographic microscope. In the thesis, we tackled three principal areas of biomedical imaging: turbid media imaging, super-resolution QPI, and 3D refractive index reconstruction. To achieve such ambitious results, we have utilized the so-called coherence-gating effect, typically exploited for imaging through disordered media by least-scattered (ballistic) light. To tackle turbid media imaging, we counterintuitively use the coherence gate for imaging by the non-ballistic light, enabling us to retrieve information missing in the ballistic image. A combination of images for different coherence gate positions allow us to synthesize an image of quality superior to ballistic light approaches, which we experimentally demonstrate on QPI through thick biological tissue. Two approaches to super-resolution QPI were explored in the thesis. First is the synthetic aperture approach, for which we again exploit the coherence-gating properties of the partially coherent light combined with the oblique illumination provided by the diffraction on a simple hexagonal phase grating placed near the specimen. We synthesize synthetic aperture QPI with significantly increased spatial frequency bandwidth from sequentially acquired images formed by the coherence-gated light scattered into each grating's diffraction order. Second, we developed the coherence gate shaping method allowing real-time super-resolution QPI. We propose an approach based on the fact that our system's point spread function (PSF) is a product of the diffraction-limited spot and the coherence-gating function, which we shape similarly to the superoscillatory hotspot. The product simultaneously produces the PSF with a super-resolution central peak and minimizes sidelobe effects, the common obstacle of superoscillatory imaging. The attenuation of sidelobes and resolution improvement co-occur in the entire field of view. Therefore, we present the first single-shot wide-field super-resolution QPI. For both methods, we achieved a resolution improvement of at least 19\%. Furthermore, we demonstrate the feasibility of the proposed methods by imaging biological specimens with super-resolution. In the thesis, we also address 3D imaging by the coherence-controlled holographic microscope. We developed a method for 3D refractive index distribution reconstruction from a z-stack QPI measurement. The reconstructed refractive index distribution has qualities similar to the outputs of optical diffraction tomography. At the same time, the required number of acquisitions is significantly lower in the case of the proposed method. We demonstrate our approach using simulated as well as experimental data. Klíčová slova: holographic microscopy; imaging in turbid media; coherence gate; super-resolution; 3D imaging; holografická mikroskopia; zobrazovanie v opticky kalných prostrediach; koherenčná brána; super-rozlíšenie; 3D zobrazovanie Plné texty jsou dostupné v digitálním repozitáři NUŠL Holografická mikroskopie využívající koherenční brány

Výskumníci v oblasti biomedicíny a metapovrchov opakovane siahajú po kvantitatívnom fázovom zobrazovaní (QPI) ako primárnej zobrazovacej technike vďaka jej vysokovýkonnému, neinvazívnemu a ...

Ďuriš, Miroslav; Tyc,, Tomáš; Baránek,, Michal; Chmelík, Radim
Vysoké učení technické v Brně, 2024