Aktuální okruhy témat doktorských disertací

Téma doktorské disertace zpravidla není možné na začátku doktorského studia přesně definovat. Student by ale měl mít jasnou představu o okruhu problémů, které ho zajímají a kterým se hodlá věnovat. Příklady tématických okruhů, které jsou v současné době na Fakultě informatiky aktuální, jsou uvedeny níže. Některé tématické okruhy byly specifikovány na základě dohody školitele s některým z průmyslových partnerů Fakulty informatiky a jsou tedy praktičtěji orientované. U některých okruhů je mimo školitele uveden i konzultant, který přebírá část úkolů v oblasti odborného vedení.


Procedural Simulation of Natural Phenomena

This research aims to develop novel computer graphics algorithms for creating realistic landscapes that can be used for serious games and virtual environments. The underlying mechanism which is widely used is not different from the 1986’s “The Definition and Rendering of Terrain Maps”. Several new rules, such as accounting for gravity, have been later added on top of the respective framework. In this research, real and natural phenomena will be taken into consideration which will be used to better approximate landscapes and the focus will be on erosion and fluid modelling. With respect to the terrain erosion, a multi-fractal algorithm will be built on top of existing methods. The novelty of the algorithm is that it will account for elements that cause erosion that have not been considered before, such as the consideration for the movement of the tectonic plates that, in reality, gives birth to terrain. For the fluid modelling part, the work will focus on approximating Navier-Stokes equation as well as existing methods to predict the behaviour of lakes and sea under certain conditions.

Candidate: Looking for a highly motivated candidate who holds a Master of Science in Computer Science or Computer Engineering with a solid background in computer graphics or computer vision. The candidate must have excellent programming skills in an object oriented programming language like C++. Experience in OpenGL or DirectX is also desirable. Fluent communication skills in English are expected.

Školitel: Fotis Liarokapis, Ph.D.


Procedural Generation of Cultural Heritage Environments

Computer visualization of ancient settlements and ruins is very important and useful for several disciplines and branches of science, such as archaeology, architecture, creative industry, and scientific fields related to exploration of cultural heritage. Procedural modelling of cities offer a new way of generating the same level of detail as the manually modelled versions but it has not been explored in the field of archaeology, due to the geometrical complexity of objects and buildings. The aim of this project is to generate unique grammar for the generation of specific case studies. In addition, to investigate algorithms which directly render curved surfaces, such as NURBS (non-uniform rational B-splines) or Bezier surfaces. These surfaces can represent complex 3D objects in a much smaller number of surfaces than planar representations, but the rendering algorithms are more complex. The student will initially study the mathematics of curved surface representation, and subsequently implement novel algorithms for complex geometrical shapes.

Candidate: Looking for a highly motivated candidate who holds a Master of Science in Computer Science or Computer Engineering with a solid background in computer graphics or computer vision. The candidate must have excellent programming skills in an object oriented programming language like C++. Experience in OpenGL or DirectX is also desirable. Fluent communication skills in English are expected.

Školitel: Fotis Liarokapis, Ph.D.


Crowd Modelling Techniques for Virtual Environments

Topic: Although various methods of procedurally crowds have been proposed in recent years, the problem of accurately modelling the behaviour of crowds still exists. This project will examine different crowd simulation algorithms that can be used in a virtual environment such as a virtual city. The main categories of crowd simulations are flow-based, entity-based and agent-based approaches. Flow-based approaches can simulate highly dense crowds not by considering individuals in the crowd, but by treating it as a continuous flow of fluid. Entity-based crowds model individuals as a set of similar entities, typically in a setup closely relating to a particle system. Agent based approaches implement agents as autonomous individuals, often capable of reacting to certain events and changes within the virtual environment. The student will have to research in the above types and develop a novel algorithm for crowd modelling for two different case studies. This research is expected to feedback into the development processes of simulating inhabited locations, by identifying the key features which need to be implemented to achieve more perceptually realistic crowd behaviour. The main areas of research include computer graphics, artificial intelligence and image processing.

Candidate: Looking for a highly motivated candidate who holds a Master of Science in Computer Science or Computer Engineering with a solid background in computer graphics or computer vision. The candidate must have excellent programming skills in an object oriented programming language like C++. Experience in OpenGL or DirectX is also desirable. Fluent communication skills in English are expected.

Školitel: Fotis Liarokapis, Ph.D.


Adaptabilní výukové systémy

Cílem v této oblasti výzkumu je vývoj výukových systémů, které se přizpůsobují studentovi, konkrétněji pak vývoj systémů pro procvičování znalostí, kde systém se snaží dávat studentovi takové úlohy, které jsou pro něj nejužitečnější a nejvíce motivující (mají vhodnou obtížnost, aby nenudily ani nestresovaly). Snažíme se, aby takové adaptabilní chování bylo možné realizovat co nejvíce automaticky (s minimálním vstupem od expertů na danou výukovou oblast) a aby tak vývoj výukových systémů byl co nejsnadnější. Za tímto účelem využíváme techniky strojového učení, pomocí kterých automaticky konstruujeme modely znalostí studentů a obtížnosti úloh.
Příklady projektů: "Problem solving tutor" (tutor.fi.muni.cz), "Slepé mapy" (slepemapy.cz).

Školitel: doc. Mgr. Radek Pelánek, Ph.D.


Efektivní formální analýza a verifikace programů v imperativních jazycích

V praxi užívané metodologie pro ověřování správnosti programů v imperativních jazycích (C, C#, Java, apod.) jsou v převážné míře založeny na testování, kdy je daný program opakovaně spouštěn na velkém množství vstupních dat a sleduje se jeho chování. Nevýhodou tohoto přístupu je jeho nákladnost, časová náročnost a také principielní nespolehlivost.

Z metodologického pohledu je určitým protipólem užití formálních metod, s jejichž pomocí je možné vyhledat některé typy chyb na základě sofistikované analýzy zdrojového kódu a případně dokázat, že se daný typ chyby v daném programu nevyskytuje. Nevýhodou formálních metod je jejich výpočetní náročnost, která často znemožňuje analyzovat programy reálné velikosti.

Témata disertačních prací v tomto okruhu jsou zaměřena na rozvoj prakticky použitelných formálních metod, které lze efektivně aplikovat na reálné programy v imperativních jazycích. Předpokládaným výstupem je nejen návrh nových metod, ale také jejich funkční implementace ve formě dobře použitelného a volně šiřitelného nástroje.

Školitel: prof. RNDr. Antonín Kučera, Ph.D.
Konzultant: Mgr. Jan Obdržálek, Ph.D. (kontaktní osoba pro uchazeče o doktorské studium)


Modelování a verifikace stochastických procesů

Stochastické procesy slouží jako formální nástroj pro popis náhodnostních systémů, jejichž chování sice nelze předem předvídat, ale lze je kvantifikovat užitím aparátu teorie pravděpodobnosti. Náhodnostní systémy, jejichž chování ovlivňuje uživatel (např. herní automaty), lze modelovat jako stochastické hry. Mezi základní problémy studované v této oblasti patří algoritmická analýza stochastických procesů a her, otázky existence rovnovážných stavů, efektivní syntéza výherních strategií, apod.

Témata disertačních prací v tomto okruhu jsou orientována na základní výzkum v oblasti teorie stochastických systémů a her. Speciální pozornost je věnována systémům s nekonečně mnoha stavy a systémům s reálným časem. Mnoho otázek zcela zásadní povahy v této oblasti je dosud nevyřešeno. Předpokladem pro dosažení původních výsledků v této oblasti je aktivní znalost poměrně pokročilých partií matematiky.

Školitel: prof. RNDr. Antonín Kučera, Ph.D.
Konzultant: doc. RNDr. Tomáš Brázdil, Ph.D. (kontaktní osoba pro uchazeče o doktorské studium)


Moderní techniky modelování a verifikace síťových služeb

Toto výzkumné témata je zaměřeno na modelování a analýzu síťových služeb. Komunikační chování síťových služeb se řídí podle síťových protokolů. Tyto sice bývají popsány, ale jejich popis je jen málokdy jednoznačný, a tak se stává, že dochází k jejich rozdílné interpretaci a následně i implementaci. Právě neformální specifikace je jedním ze základních zdrojů nekompatibility jednotlivých komponent systému a následně pak i nestability celku.

Klasickými a v posledních letech velmi studovaným formalizmem pro popis síťových protokolů jsou tzv. Message Sequence Charts (MSC). Přestože byl formalizmus MSC standardizován mezinárodní telekomunikační unií ITU (Recommendation Z.120), většina teoretických článků se zabývá pouze prakticky nepoužitelnými fragmenty tohoto formalizmu. Na druhou stranu, mnoho zajímavých problémů je pro plně zavedené MSC nerozhodnutelných.

Výzkum zaměříme na varianty a modifikace formalizmu MSC. Měřítkem úspěchu bude praktická použitelnost výsledku, je proto nezbytně nutné sledovat jak dostatečnou vyjadřovací sílu, tak možnost automatického ověření správnosti.

Školitel: prof. RNDr. Mojmír Křetínský, CSc.
Konzultant: RNDr. Vojtěch Řehák, Ph.D. (kontaktní osoba pro uchazeče o doktorské studium)


Algoritmy a nástroje pro automatickou analýzu a verifikaci programů

Cílem výzkumu v této oblasti je vývoj technik a nástrojů pro automatickou analýzu programů (ať již na úrovni zdrojového kódu nebo ve zkompilované podobě). Mezi nejčastěji používané techniky patří ověřování modelu (model checking), omezené ověřování modelu (bounded model checking), abstraktní interpretace, symbolická exekuce a jejich vzájemné kombinace. Výstupy různých technik mají různý tvar i použití, zpravidla však slouží k odhalení chyb v programu (ať již přímo nebo generováním testů dobře pokrývajících kód programu) nebo k důkazu, že program splňuje danou specifikaci. V současnosti lze pomocí analýzy kódu běžně odhalit například chyby při práci s pamětí (memory leak, NULL pointer dereference), chyby při práci se zámky apod.

Současné techniky bohužel obvykle trpí velkou výpočetní náročností (a tedy neprozkoumají celý program) nebo nepřesností výsledků (ohlásí chyby, které ve skutečnosti nemohou nastat). Disertační práce v tomto okruhu může být zaměřena například na potlačení těchto nedostatků nebo na vývoj nástrojů schopných analyzovat reálné programy.

Školitel: doc. RNDr. Jan Strejček, Ph.D.


Překlad LTL na automaty a následné aplikace

Lineární temporální logika (LTL) patří mezi nejoblíbenější formalismy pro popis vlastností běhů počítačových systémů, protože dokáže úsporně popsat mnoho zajímavých vlastností a zároveň má jednoduchou sémantiku. Překlady LTL na různé druhy automatů se studují již desítky let a našly mnoho aplikací především v oblasti verifikace programů (model checking, bounded model checking), monitorování systémů, syntéze systémů, analýze pravděpodobnostních systémů apod.

Disertační práce v tomto okruhu může být zaměřena například na optimalizaci překladu pro určité druhy aplikací nebo na optimalizaci překladu určitého fragmentu LTL. Taktéž je možné zaměřit se na využití méně tradičních druhů automatů a to jednak uzpůsobením překladu, tak přílušnou změnou aplikace.

Školitelé: prof. RNDr. Mojmí­r Křetínský, CSc., doc. RNDr. Jan Strejček, Ph.D.


Automatizovaná verifikace programů

Jedním z nejčastěji používaných a také nejjednodušších způsobů, jak odhalit chyby v programech, je jejich testování. Problém je však v tom, že programy jsou natolik komplexní objekty, že množství situací, které by bylo žádoucí otestovat, je tak obrovské, že jejich zpracování by trvalo roky, a to i v tom jednodušším případě. Navíc, testování může odhalit chyby, ale nemůže garantovat jejich neexistenci.

Pomocí metod pro automatizovanou formální analýzu a verifikaci, je možné pro určité typy chyb garantovat, že se v programu nevyskytují, aniž by bylo nutné program spouštět. Mnohé z těchto chyb lze vyhledat již na základě statické analýzy zdrojového kódu. Informace ze statické analýzy lze následně využít pro efektivní zkoumání všech možných chování programu, které mohou garantovat neexistenci dalších chyb, neodhalitelných statickou analýzou.

Témata disertačních prací v tomto okruhu jsou zaměřena na rozvoj prakticky použitelných formálních metod, které lze efektivně aplikovat na reálné programy. Předpokládaným výstupem je nejen návrh nových metod, ale také jejich funkční implementace ve formě dobře použitelného a volně šiřitelného nástroje.

Školitel: prof. RNDr. Luboš Brim, CSc.


Paralelní verifikační nástroje.

Verifikační techniky, které jsou v současné době používány ve verifikačních nástrojích, jsou paměťově a výpočetně velmi náročné a jejich použití na reálné systémy je tímto faktem velmi limitováno. Jedním ze způsobů, jak možnosti verifikačních nástrojů významně posílit, je využít kumulovanou sílu paralelních počítačů. Zvýšení rychlosti umožňují vícejádrové architektury, paměťová omezení je pak možné částečně překonat pomocí distribuce verifikační úlohy na síť počítačů. Tyto nové platformy však vyžadují i nové metody a techniky, které se zásadně liší od těch, které jsou dnes používány v sekvenčních verifikačních nástrojích.

Témata disertačních prací v tomto okruhu jsou zaměřena na vývoj nových algoritmů a technik pro paralelní verifikaci. Příkladem takových metod je symbolická verifikace na vícejádrových počítačích nebo návrh redukčních technik pro algoritmy pracující v distribuované paměti. Předpokládaným výstupem je nejen návrh nových metod, ale také jejich funkční implementace ve verifikačním nástroji DiVinE, včetně experimentálního zhodnocení.

Školitel: prof. RNDr. Luboš Brim, CSc.


Formální analýza komplexních biologických sítí

Současný výzkum v biologii klade důraz na systematické studium živých organismů s cílem vývoje co nejpřesnějších umělých (in silico) modelů zaměřených na různé aspekty funkčnosti a vývoje živých organismů. Moderní obor tzv. systémové biologie se zaměřuje zejména na funkční analýzu a simulaci biochemických mechanismů řídících životní funkce. Nejpoužívanější (a nejpřirozenější) metodou pro modelování těchto aspektů je metoda obecných diferenciálních rovnic, které jsou redukovány a abstrahovány do formy diskrétních konečných automatů. Výsledkem aproximace je diskrétní model, jenž je algoritmicky analyzovatelný. Vstupem pro funkční analýzu jsou rozsáhlé biologické sítě reprezentující vzájemné reakce organických látek obsažených v buňkách. Rozsáhlost typických sítí lze měřit ve stovkách tisíců různých látek. Jedná se zejména o genetické regulace, metabolismus, proteinové reakce a signální dráhy.

Cílem disertace je vývoj nových (případně adaptace existujících) algoritmických metod pro analýzu diskrétního stavového prostoru přizpůsobenou potřebám funkční (kvalitativní) analýzy dynamických modelů biologických sítí. Vzhledem k rozsáhlosti uvažovaných sítí je předpokládáno nasazení paralelních algoritmů pro zajištění efektivnosti a škálovatelnosti navrhovaných metod.

Školitel: prof. RNDr. Luboš Brim, CSc.
Konzultant: Mgr. David Šafránek, Ph.D.


Počítačové zpracování přirozeného jazyka

Předmětem pozornosti tu jsou zejména: textové korpusy a korpusové nástroje, syntaktická a sémantická analýza přirozeného jazyka, dialogové a otázkové systémy, počítačová lexikografie a neposlední řadě strojový překlad. Oblast zpracování přirozeného jazyka se těsně stýká s problematikou umělé inteligence, analýza přirozeného jazyka se tu prolíná s reprezentací znalostí, jež zahrnuje sémantické sítě, logické kalkuly a různé typy ontologií. Mezi aktuální témata patří i otázky spojené se sémantickým webem.

Z metodologického pohledu jde o atraktivní oblast, v níž se setkáváme s obtížnými úlohami, jejichž řešení může usnadnit komunikaci člověka se strojem. Ta je v současnosti téměř výhradně 'jednocestná', to znamená, že lidé musejí mít dostatečné znalosti o struktuře programového vybavení, aby mohli s počítači kvalitně pracovat. Cílem však je pokud možno 'dvoucestná' komunikace, která přiblíží počítače i lidem bez zmíněných znalostí. Současná paradigmata výzkumu staví na pravidlových a statistických přístupech, resp. na přístupech hybridních.

Témata disertačních prací­ v tomto okruhu jsou zaměřena na řešení úloh v oblastech naznačených výše. V disertačních pracích se předpokládá jednak hledání nových teoretických postupů a technik ve zpracování přirozeného jazyka a jednak jejich implementace do podoby nástrojů použitelných v dalším výzkumu i v praxi.

Tento tématický okruh vznikl v rámci Laboratoře zpracování přirozeného jazyka na Fakultě informatiky v r. 1997-8. V současnosti Laboratoř existuje pod názvem Centrum zpracování přirozeného jazyka, které již delší dobu spolupracuje s firmou Seznam, takže lze formulovat i témata orientovaná na spolupráci s tímto industriálním partnerem. Další možností je trvalá výzkumná spolupráce s britskou firmou Lexical Computing Ltd. Úspěšné práce lze publikovat ve sbornících mezinárodních konferencí a vhodných recenzovaných časopisech.

Školitel: doc. PhDr. Karel Pala, CSc., doc. RNDr. Aleš Horák, Ph.D.
Konzultant: Mgr. Pavel Rychlý, Ph.D.


Počítačové zpracování řeči, dialogové systémy a asistivní technologie

Oblast počítačového zpracování řeči, zahrnující metody rozpoznávání a syntézy řeči, patří mezi velmi aktuální a důležité obory současné informatiky, s četnými aplikacemi, jejichž význam v blízké budoucnosti ještě více poroste. Na souvisejících technologiích jsou postaveny dialogové systémy, které představují inteligentní interface člověk-počítač založený na primární komunikaci přirozenou řečí. Speciální oblast využití představují asistivní technologie, orientované na rozvoj kvality života a hendikapované (zvláště nevidomé) uživatele.

Témata disertačních prací v tomto oboru se mohou týkat řady konkrétních otázek řešených v rámci Laboratoře vyhledávání a dialogu, např. dialogového generování grafických objektů a www stránek, syntézy a rozpoznávání řeči, vývoje asistivních technologií pro nevidomé, avšak rovněž vlastní zájem o specifický problém je velmi vítán.

Školitel: doc. RNDr. Ivan Kopeček, CSc.


Pokročilé metody vyhledávání v digitálních datech

Zabýváme se problematikou rychlého vyhledávání v rozsáhlých kolekcích multimediálních dat. Standardní přístupy založené na centralizovaném adresáři přestávají být dostatečné z pohledu škálovatelnosti. Oproti tomu distribuované systémy (např. GRID nebo v poslední době populární peer-to-peer sítě) nabízejí potřebné vlastnosti. Soustředíme se jak na tzv. strukturované distribuované systémy, které podle daných pravidel ukládají data na uzlech sítě, tak i na tzv. nestrukturované systémy, jejichž výhoda spočívá v samo-organizování - informace nutné k vyhledávání jsou automaticky vytvářeny sítí a předem nejsou známy. Samostatnou a neméně důležitou oblastí je problematika specifikace podobnosti, tj. způsobu určení blízkosti dat. Volba podobnostní funkce ovlivňuje nejenom kvalitu výsledků hledání, ale také rychlost hledání.

Tématické okruhy možných prací:

  • Ranking and Relevance Feedback in Image Retrieval
  • Similarity Search Architectures for WEB Databases
  • Self-Organized Search Networks
  • Computational Advertising
  • Clustering and Categorization in Metric Spaces
  • Similarity Search Applications: video, audio, music
  • Similarity Searching: Beyond the Metric Space
  • Data Cleaning and Integration
  • Collaborative Filtering
  • Performance Tuning on Distributed Hardware Infrastructures
  • Approximative Similarity Search
  • Dimensionality Reduction Techniques

Školitel: prof. Ing. Pavel Zezula, CSc.


Strukturální a topologická teorie grafů

V rámci tohoto okruhu teoretických (především matematických) témat se zabýváme těmi oblastmi tzv. strukturální a topologické teorie grafů, které jsou blízké teoretické informatice a složitosti algoritmů. Jde o teoreticky zaměřený výzkum, u něhož se předpokládá vědecká spolupráce s některými špičkovými světovými experty oboru a hlavní výstupy formou časopiseckých publikací v oblasti diskrétní matematiky. Tento okruh je vhodný i pro matematiky, kteří vůbec neholdují informatice. Pro ukázku navrhujeme následující přehled možných témat, ale další příbuzná témata mohou být po dohodě snadno doplněna:
  • Šířkové parametry grafů a jejich dekompozice, od tradiční tree-width a branch-width po nové jako rank-width, bi-rank-width nebo DAG-width. Výzkum relevantních matematických otázek a algoritmických aspektů, navrhnutí nových a lepších parametrů.
  • Průsečíkové číslo grafu, tj. nakreslení grafu s nejmenším počtem křížení hran. Výzkum zahrnuje strukturální vlastnosti průsečíkově-kritických grafů, dolní odhady na průsečíková čísla, výpočetní těžkost průsečíkového čísla, nebo efektivní aproximace průsečíkového čísla u speciálních grafů.

Školitel: prof. RNDr. Petr Hliněný, Ph.D.


Parametrizovaná složitost grafových problémů

Teorie tzv. parametrizované složitosti podává "jemnější" rozlišení výpočetní složitosti těžkých problémů, které je ortogonální ke klasické NP-úplnosti. Zhruba řečeno, v parametrizované složitosti je u vstupu specifikován navíc číselný parametr, při jehož nízké hodnotě jsme schopni efektivně řešit zkoumaný problém i na velkých vstupech. Takový parametr přitom může typicky být součástí vstupu problému, nebo omezovat strukturální složitost vstupu. Jde o teoreticky zaměřený výzkum, u něhož se předpokládá vědecká spolupráce s některými špičkovými mezinárodními experty oboru a hlavní výstupy formou konferenčních a časopiseckých publikací v teoretické informatice. Pro ukázku uvádíme následujících pár možných témat, ale další příbuzná témata mohou být po dohodě snadno doplněna:
  • Nové postupy návrhu parametrizovaných algoritmů za použití poznatků strukturální teorie grafů.
  • Návrh vhodných strukturálních parametrů pro těžké problémy na orientovaných grafech. Srovnání "síly" různých parametrů.
  • Algoritmické metavěty a metakernelizace založené na popisech tříd problémů ve vhodné logice
    (FO, MSO).
  • Využití teoretických poznatků strukturální teorie grafů pro praktický návrh lepších algoritmů pro zpracování obřích grafů, například grafu cestní sítě v GPS navigacích.

Školitel: prof. RNDr. Petr Hliněný, Ph.D.


Triangularizované modely pro haptiku a virtuální realitu

Triangularizované modely se používají jako hlavní nástroj reprezentace geometrických objektů od samého začátku počítačové grafiky. Zahrnují několik kategorií: 2D triangulace, které se využívají např. pro modelování terénů nebo jiných rovinných objektů; mohou být také vytvořeny v parametrickém prostoru a mapovány na povrch geometrického modelu. 3D triangulace neboli tetrahedronizace se využívají jako modely geometrických těles. Modely s povrchovou triangulací jsou vytvářeny např. po rekostrukci povrchu z bodové množiny nebo interpolací různých funkčních reprezentací. Pro tyto modely bylo vyvinuto mnoho algoritmů a metod, které se využívají v současné počítačové grafice a aplikacích. Pokud však jsou vstupní data aplikací rozsáhlá a proměnlivá a navíc při měkkých deformacích a dalších změnách tvarů je třeba uplatnit negeometrická kritéria optimality, pak zůstává mnoho otázek nevyřešených a publikované metody nevyhovují náročnějším požadavkům nových aplikačních oblastí.

Hlavním výzkumným cílem je vývoj algoritmů a metod vhodných pro VR simulace a jejich využití v tomto kontextu.

Možná témata doktorských disertací:

  • Algorithms for fast location on the surface of geometric models.
  • Local refinement and coarsening of triangular surface during a haptic interaction.
  • Triangulated models based on kinetic data; research of non-geometrical criteria of optimality.
  • Modeling of deformations and evolution of geometrical objects.
  • Path planning/searching in the VR applications in partly known or unknown environment, with possibilities to re-plan rapidly the path in case of objects shape changes.
  • Fast frame-to-frame collision detection of triangulated models as an input for correct force-feedback calculation.
  • Development of fine rigid as well as flexible tools with dense triangulated surf ace structures and their application to fine grained haptic interactions.
  • Design and implementation of detailed surface models for VR scenes, allowing sim ulation of interactions of a type human controlled tools interacting with rigid and soft surface models.

Školitel: doc. Ing. Jiří Sochor, CSc.


Analýza obrazů buněk v optické mikroskopii

Moderní molekulární biologie se primárně zabývá studiem struktury, funkce a dynamiky buněčných komponent. K tomuto účelu využívá zejména optickou mikroskopii, která umožňuje zaznamenat prostorová (3D) obrazová data, eventuálně časový průběh buněčných procesů v živých buňkách bez jejich poškození (za přirozených podmínek). Motivací pro tento výzkum je snaha popsat buněčné procesy, které vedou k závažným (zejména rakovinným) onemocněním člověka a na základě těchto znalostí vyvinout nové účinné diagnostické a léčebné postupy.

Jelikož tyto studie produkují rozsáhlá vícerozměrná obrazová data, která je nutné vhodně zachytit, zdigitalizovat a zpracovat pomocí počítače, neobejdou se bez odborníků v oblasti zpracování digitálních obrazů. Právě tuto pomoc nabízí molekulárním biologům Centrum analýzy biomedicínského obrazu na FI MU. Toto Centrum disponuje nejen výpočetní technikou, ale také molekulárně-biologickými laboratořemi pro přípravu buněk a optickými laboratořemi vybavenými unikátními automatizovanými mikroskopy řízenými vlastním softwarem. Centrum tak zajišťuje celý proces studia buněčného materiálu počínaje odběrem v nemocnici a konče vyhodnocením výsledků z počítače.

Do činnosti Centra se lze zapojit i formou doktorského studia. V tomto případě je předpokládaným výstupem nejen návrh nových metod, ale také jejich funkční implementace ve formě kompatibilní se stávající knihovnou dlouhodobě vyvíjenou v tomto Centru.

Konkrétně se jedná hlavně o úlohy z oblasti segmentace buněk a jejich částí. V případě živých buněk se pak jedná o sledování pohybu objektů uvnitř buňky, ale i buňky samotné. Vyvíjené metody se zpravidla snažíme do značné míry automatizovat a optimalizovat s ohledem na kvalitu a/nebo kvantitu výsledků. Věnujeme se také simulacím formování obrazu v optických soustavách: modelujeme buňky samotné, rozmazání optickou soustavou, elektronický šum a jiné artefakty, abychom mohli otestovat spolehlivost vyvíjených metod analýzy obrazu a také najít způsob korekce uvedených vad pomocí hardwarových a/nebo softwarových prostředků.

Předpokladem práce na těchto tématech je ochota naučit se něco nového z jiných oborů (především optiky a molekulární biologie) a komunikovat s kolegy z těchto oborů, které Centrum i přímo zaměstnává. Součástí doktorského studia je zpravidla rovněž semestrální stáž v obdobném centru v zahraničí.

Školitel: prof. RNDr. Michal Kozubek, Ph.D.
Konzultanti: doc. RNDr. Pavel Matula, Ph.D., doc. RNDr. Petr Matula, Ph.D., RNDr. David Svoboda, Ph.D. (kontaktní osoby pro uchazeče o doktorské studium)



Modely pro programovatelnost a laditelnost samoorganizujících se komunikačních systémů

V kontextu disertační práce budou hledány programovací modely, které uživateli umožní modifikovat chování samoorganizujících systémů, aniž by byly přitom porušeny základní podmínky chování takových systémů. Modifikovatelnost chování systému umožní vytvářet flexibilnější komunikační systémy, kdy např. uživatelé budou moci ovlivňovat aktuální poměr mezi rychlostí vytvoření konkrétní komunikační sítě (s požadovanými parametry) a jejími vlastnostmi (skutečná přenosová rychlost, latence, míra robustnosti v podobě redundance linek apod.). Velký důraz bude kladen na nalezení takových modelů, které současně umožní porozumět vytvářenému samoorganizujícímu systému a zajistit alespoň elementární laditelnost, tj. schopnost sledovat chování systému v průběhu samoorganizace a také poskytnout reprodukovatelné prostředí (podpora reprodukce chyb a nečekaných stavů). Výsledky výzkumu budou integrovány do vytvářeného prostředí CoUniverse.

Časový plán: Zahájeno v akademickém roce 2008/2009 studijní fází a konkretizací požadavků na model, 2009/2010: Návrhy první generace programovacího modelu, garantujícího globální vlastnosti samoorganizujícího komunikačního systému. 2010/2011: Koncept laditelnosti, druhá generace modelu, experimenty a simulace. 2011/2012: Dokončení experimentů, vyhodnocení, sepsání a odevzdání disertační práce.

Školitel: prof. RNDr. Luděk Matyska, CSc.
Konzultant: doc. RNDr. Petr Holub, Ph.D., (kontaktní osoba)


Kvantové zpracování informace - kvantové algoritmy, automaty, kryptografie

Kvantové zpracování informace je nový trend v oblasti zpracování informace, výpočtů, komunikace a v oblasti bezpečnosti. Specifické zákonitosti kvantové fyziky a vlastnosti mikroskopického kvantového světa se využívají k řešení problémů neřešitelných na klasickém počítači, případně pro nalezení efektivnějších řešení.

Výzkum v rámci doktorandského studia je zaměřen na kvantové automaty (především konečné), kvantové algoritmy, návrh kvantových obvodů a protokolů a na rozličné problémy kvantové kryptografie - problémy kvantového generování klasických klíčů, kódování, autentizace, anonymity atd.

Témata disertačních prací mohou být také orientovaná na kvantovou teorii informace, kvantové samoopravné kódy, kvantové entanglování ap.

Laboratoř kvantového zpracování informace a kryptografie, ve které by doktorandi pracovali, pořádá pravidelný výzkumný seminář a cyklus přednášek "hot topics", na kterých se referují nejnovější výsledky. Laboratoř je spoluorganizátorem každoročního mezinárodního workshopu CEQIP (Central European Quantum Information Processing), pořádaného v České republice.

Školitel: prof. RNDr. Jozef Gruska, DrSc.
Konzultanti: RNDr. Jan Bouda, Ph.D., doc. Mgr. Mario Ziman, Ph.D., prof. RNDr. Tomáš Tyc, Ph.D. (kontaktní osoby)


Machine learning and data mining

Školitel: doc. RNDr. Lubomír Popelínský, Ph.D.


Matematické modelování a numerická simulace transportu organických znečišťujících látek v ovzduší

Matematické modelování a numerická simulace transportu organických znečišťujících látek v ovzduší a jejich transformace v rámci rozhraní mezi složkami životního prostředí (ovzduší, biota, půda, voda apod.). Rozšíření existujících modelů znečištění ovzduší a jejich plná integrace do regionálního vícesložkového modelu, který bude využívat data z GEOSS . Cílem je vývoj a implementace matematického modelu a numerická simulace na platformě výkonných počítačů (CERIT SC) včetně interpretace regionálních a dlouhodobě sledovaných údajů ve spolupráci s ústavem RECETOX na Přírodovědecké fakultě.
Pro ukázku uvádíme následujících pár možných témat, ale další příbuzná témata mohou být po dohodě snadno doplněna:
- Modelování, simulace a vizualizace a hodnocení výsledků modelu na základě experimentálních data a modelových dat z jiných zdrojů.
- Vývoj numerického modelu organických znečišťujících látek, cyklujících v nižší atmosféře a jejich výměna na povrchu (půdy, mořské hladiny) jako kombinace existujících komponent, tj. atmosférické disperzní modely s moduly atmosférické chemie, aerosolů a povrchovou výměnou.
- Programování a implementace algoritmu pro vkládání dat a používání modelových dat z jiných zdrojů.

Školitel: prof. RNDr. Jiří Hřebíček, CSc.


Metody pro návrh a vývoj spolehlivých softwarových architektur

Věda i současná praxe znají řadu metod, jak se přiblížit bezchybné funkčnosti vyvíjeného systému (od testování po formální verifikaci). Bezchybnost je však jen jednou z mnoha kvalit softwarových systémů - vedle výkonnosti, spolehlivosti, bezpečnosti, úspornosti, udržovatelnosti, a celé řady dalších. Se vzrůstající složitostí informačních systémů a zejména jejich architektur tak vzniká potřeba metod a technik podporujících již od samého počátku návrh a vývoj těchto systémů s ohledem na jejich budoucí požadované kvality.

Témata disertačních prací v tomto okruhu se zaměřují na konkrétní kvalitativní atribut softwarových architektur - spolehlivost - a věnují se vývoji metod pro navigaci návrhu a vývoje rozsáhlých systémů za účelem maximalizace výsledné spolehlivosti systému. Pod vývojem metod se rozumí jak teoretický návrh metod, tak jejich implementace a/nebo integrace do existujících nástrojů, včetně praktické evaluace výsledků na řadě reálných případových studiích

Školitel: doc. RNDr. Tomáš Pitner, Ph.D.
Konzultant: Ing. RNDr. Barbora Bühnová, Ph.D. (kapacita momentálně naplněná)