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과학

회전 평균

회전 평균과학
영문명
Rotation averaging
이 문서의 대표 방식
행렬 차이의 chordal L² 평균
결과 조건
직교행렬이며 행렬식이 1
가중치
0 이상이며 전체 합은 양수
회전 평균은 여러 회전을 하나의 대표 회전으로 요약하는 문제다. 어떤 거리와 손실을 사용하는지에 따라 정의가 달라지며, 회전행렬이나 오일러 각의 성분을 단순 평균하는 것과 구분해야 한다.

회전이라는 제약을 유지하기

대표적인 방식은 Σw_i||R_i−M||_F²를 최소화하는 회전행렬 M을 찾는 것이다. 프로베니우스 노름은 행렬 성분 차이의 제곱합을 사용한다. 먼저 행렬 성분을 평균하더라도 그 결과는 일반적으로 회전행렬이 아니므로 회전 공간의 제약을 만족하는 대표를 찾아야 한다. 구면 위의 한 방향을 평균하는 문제와 3차원 자세 전체를 평균하는 문제도 다르다.

평균한 행렬이 회전이 아닌 예

z축 주위 +90도와 −90도 회전행렬을 같은 비중으로 평균하면 대각이 0,0,1인 행렬이 된다. 이 행렬은 x,y 방향을 0으로 보내고 행렬식도 0이므로 회전이 아니다. 단순 산술평균을 그대로 자세 변환에 적용하면 길이를 보존하지 못한다. 이 예의 대칭적인 배치에서는 chordal 손실을 최소화하는 대표 회전도 하나로 고정되지 않을 수 있다.

각도와 쿼터니언의 함정

같은 회전도 여러 오일러 각 조합으로 표현될 수 있다. 한 성분이 359도와 1도로 주어졌다고 산술평균 180도를 선택하면 경계를 잘못 읽는 문제가 생긴다. 단위 쿼터니언 q와 −q는 같은 회전을 나타내지만 둘의 산술평균은 0이다. 표현 좌표를 평균한 뒤 정규화하는 절차만으로 항상 올바른 평균을 얻는다고 가정하지 않는다.

거리와 가중치의 선택

행렬 차이를 사용하는 chordal 평균과 회전각의 측지거리를 사용하는 평균은 같은 최적화 문제가 아니다. 회전들이 넓게 퍼지면 차이가 중요해질 수 있다. 모든 가중치에 같은 양의 상수를 곱해도 최소화하는 회전은 변하지 않는다. 결과를 비교할 때는 거리 정의,가중치,회전 적용 관례를 맞추고,대표 회전 하나가 자료의 여러 모드를 숨기지 않는지도 살핀다.

관련 문서

회전행렬 / 오일러 각 / 쿼터니언 / 원형 평균 / 구면 선형 보간 / 프로크루스테스 분석