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과학

오일러 각

오일러 각과학
영문명
Euler angles
필수 정보
축 순서와 세 회전각
기준 구분
고정된 외부축과 물체에 붙은 이동축
관련 표현
회전 행렬과 사원수
오일러 각은 정해진 축 순서에 따른 세 번의 회전각으로 삼차원 자세를 표현하는 방식이다. 각도 세 개만으로 의미가 정해지지 않으며 축의 순서와 고정축 또는 이동축 규약을 함께 지정해야 한다.

어느 축으로 돌리는가

외부의 고정 좌표축을 기준으로 순차 회전하는 방식과 물체에 붙어 함께 움직이는 축을 기준으로 회전하는 방식이 있다. 같은 축 이름과 같은 숫자를 사용해도 이 두 규약은 서로 다른 합성을 나타낼 수 있다. 첫 축과 셋째 축이 같은 전통적인 오일러 각과 세 축이 모두 다른 테이트 브라이언 각을 구별하기도 하며, 소프트웨어에서는 둘을 넓은 의미의 오일러 각으로 묶기도 한다.

순서가 바뀌는 예

오른손 좌표계의 고정축을 기준으로 벡터 (1,0,0)을 능동 회전한다고 하자. z축으로 90도 회전하면 (0,1,0)이고, 이어 x축으로 90도 회전하면 (0,0,1)이다. 반대로 x축 회전부터 적용하면 첫 단계에서 (1,0,0)이 그대로이고, 다음 z축 회전 결과는 (0,1,0)이다. 같은 두 각도라도 적용 순서를 바꾸면 결과가 다르다.

좌표 변환과 물체 회전

벡터 자체를 움직이는 능동 회전과 같은 벡터를 다른 좌표계에서 나타내는 수동 변환은 해석이 다르다. 행벡터와 열벡터 중 무엇을 사용하는지도 행렬 곱의 순서에 영향을 준다. 따라서 각도를 전달할 때 축 순서, 각도 단위와 회전 해석을 함께 맞춰야 한다. 도와 라디안을 혼동하는 문제는 축 순서를 맞췄다고 해결되지 않는다.

표현의 한계

오일러 각은 일부 자세에서 두 회전의 효과가 겹쳐 각도를 유일하게 정하기 어려운 특이점이 생길 수 있다. 이는 실제 물체가 회전할 자유를 잃었다는 뜻이 아니라 좌표 표현의 문제다. 인접 자세의 각도 숫자가 갑자기 크게 바뀌는 현상도 실제 움직임과 구분해야 한다. 연속 보간이나 합성에서는 회전 행렬과 사원수 같은 표현을 검토할 수 있다.

관련 문서

회전 벡터 / 회전 행렬 / 사원수 / 구면 선형 보간 / 벡터 / 라디안