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2つの長さが同じ3次元実数値ベクトル(空間上の位置)xとyが与えられた時、
xからy(あるいはyからx)へ回転する行列Rを求めたいです。
numpyやscipyを使って、どのようなコードでこれを実現できるでしょうか?

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1 件の回答 1

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まず、Mathematics Stack Exchange 上の同様の質問に対する Nico Schlömer さんの回答を和訳します:

ロドリゲスの回転公式を使うと、ベクトル a を回転軸 k まわりに角 θ だけ回転したときのベクトルが得られます。ここで単位ベクトル ab に回転するには a(a + b) / 2 まわりに π だけ回転すれば良いことを考えると、この公式から以下の美しい式を得ます:

R = 2 * (a+b)(a+b)^T / ((a+b)^T (a+b)) - I

この式は a, b が単位ベクトルのときに限らず、ab の長さが等しく a ≠ -b であれば使えます。このことから、上の式をそのまま実装してみました。

import numpy as np

def rotation_matrix_3d(frm, to):
    if np.array_equal(frm, to):
        return np.identity(3)
    if np.array_equal(frm, -to):
        return -np.identity(3)

    s = frm + to
    return 2.0 * np.outer(s, s) / np.dot(s, s) - np.identity(3)

以下は動作テストの様子です。

def generate(r):
    theta = np.random.uniform(0, 2.0 * np.pi)
    cosphi = np.random.uniform(-1.0, 1.0)
    sinphi = np.sqrt(1.0 - cosphi * cosphi)
    v = r * np.array([np.cos(theta) * sinphi, np.sin(theta) * sinphi, cosphi])
    return v

if __name__ == '__main__':
    r = np.random.random()
    a = generate(r)
    b = generate(r)
    r = rotation_matrix_3d(a, b)

    # test
    print(" R =", r)
    print()
    print(" a =", a)
    print("Ra =", np.dot(r, a))
    print(" b =", b)
$ python test.py
 R = [[-0.33930792  0.7584119   0.55649036]
 [ 0.7584119  -0.129415    0.6387982 ]
 [ 0.55649036  0.6387982  -0.53127708]]

 a = [0.83254887 0.9255484  0.65935197]
Ra = [0.78637951 0.93282798 0.70424549]
 b = [0.78637951 0.93282798 0.70424549]
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  • すごく簡潔な式になるのですね。びっくりしました。実装もありがとうございます。私の実現したいことがこれでできました。
    – neco
    Commented 2019年6月17日 8:40

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