Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2012-06-07 074a178761daa61a419ef9c2f38f9cd7adc0cdc7
commit | author | age
88f451 1 #include<math.h>
SP 2 #include<stdlib.h>
3 #include "general.h"
4 #include "sh.h"
5
074a17 6
SP 7
8 ts_spharm *sph_init(ts_vertex_list *vlist, ts_uint l){
9     ts_uint k,j;
10     ts_spharm *sph=(ts_spharm *)malloc(sizeof(ts_spharm));
11
12     /* lets initialize Ylm for each vertex. Data is stored in vertices */
13     for(k=0;k<vlist->n;k++){
14             vlist->vtx[k]->Ylm=(ts_double **)calloc(l,sizeof(ts_double *));
15             for(j=0;j<l;j++){
16                 vlist->vtx[k]->Ylm[j]=(ts_double *)calloc(2*j+1,sizeof(ts_double));
17             }
18     }
19         
20
21     /* lets initialize ulm */
22
23     sph->ulm=(ts_double **)calloc(l,sizeof(ts_double *));
24     for(j=0;j<l;j++){
25         sph->ulm[j]=(ts_double *)calloc(2*j+1,sizeof(ts_double));
26     }
27
28
29     /* lets initialize co */
30
31     sph->co=(ts_double **)calloc(l,sizeof(ts_double *));
32     for(j=0;j<l;j++){
33         sph->co[j]=(ts_double *)calloc(2*j+1,sizeof(ts_double));
34     }
35    
36     /* Calculate coefficients that will remain constant during all the simulation */ 
37     precomputeShCoeff(sph);
38
39     return sph;
40 }
41
42
43 ts_bool sph_free(ts_spharm *sph, ts_vertex_list *vlist){
44     int i,k;
45     for(i=0;i<sph->l;i++){
46         if(sph->ulm[i]!=NULL) free(sph->ulm[i]);
47         if(sph->co[i]!=NULL) free(sph->co[i]);
48     }
49     if(sph->co != NULL) free(sph->co);
50     if(sph->ulm !=NULL) free(sph->ulm);
51
52     for(k=0;k<vlist->n;k++){
53         if(vlist->vtx[k]->Ylm!=NULL) {
54             for(i=0;i<sph->l;i++){
55                 if(vlist->vtx[k]->Ylm[i]!=NULL) free(vlist->vtx[k]->Ylm[i]);
56             }
57             free(vlist->vtx[k]->Ylm);
58         }
59     }
60     free(sph);
61     return TS_SUCCESS;
62 }
63
88f451 64 /* Gives you legendre polynomials. Taken from NR, p. 254 */
SP 65 ts_double plgndr(ts_int l, ts_int m, ts_float x){
66     ts_double fact, pll, pmm, pmmp1, somx2;
67     ts_int i,ll;
68
69 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
70     if(m<0 || m>l || fabs(x)>1.0)
71         fatal("Bad arguments in routine plgndr",1);
72 #endif
73 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
74     if(m<0 || m>l || fabsf(x)>1.0)
75         fatal("Bad arguments in routine plgndr",1);
76 #endif
77 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
78     if(m<0 || m>l || fabsl(x)>1.0)
79         fatal("Bad arguments in routine plgndr",1);
80 #endif
81     pmm=1.0;
82     if (m>0) {
83 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
84         somx2=sqrt((1.0-x)*(1.0+x));
85 #endif
86 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
87         somx2=sqrtf((1.0-x)*(1.0+x));
88 #endif
89 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
90         somx2=sqrtl((1.0-x)*(1.0+x));
91 #endif
92         fact=1.0;
93         for (i=1; i<=m;i++){
94             pmm *= -fact*somx2;
95             fact +=2.0;
96         }
97     }
98
99     if (l == m) return pmm;
100     else {
101         pmmp1=x*(2*m+1)*pmm;
102         if(l==(m+1)) return(pmmp1);
103         else {
104             pll=0; /* so it can not be uninitialized */
105             for(ll=m+2;ll<=l;ll++){
106                 pll=(x*(2*ll-1)*pmmp1-(ll+m-1)*pmm)/(ll-m);
107                 pmm=pmmp1;
108                 pmmp1=pll;
109             }
110             return(pll);
111         }
112     }
113 }
114
115
523bf1 116
SP 117 ts_bool precomputeShCoeff(ts_spharm *sph){
074a17 118     ts_int i,j,al,am;
SP 119     ts_double **co=sph->co;
523bf1 120     for(i=0;i<sph->l;i++){
074a17 121         al=i+1;
SP 122         sph->co[i][i+1]=sqrt((2.0*al+1.0)/2.0/M_PI);
123         for(j=0;j<al;j++){
124             am=j+1;
125             sph->co[i][i+1+j]=co[i][i+j]*sqrt(1.0/(al-am+1)/(al+am));
126             sph->co[i][i+1-j]=co[i][i+1+j];
523bf1 127         }
074a17 128         co[i][2*i]=co[i][2*i]*sqrt(1.0/(2.0*al));
SP 129         co[i][0]=co[i][2*i+1];
130         co[i][i+1]=sqrt((2.0*al+1.0)/4.0/M_PI);
523bf1 131     }
SP 132     return TS_SUCCESS;
133
134 }
135
136
88f451 137 /*Computes Y(l,m,theta,fi) (Miha's definition that is different from common definition for  factor srqt(1/(2*pi)) */
SP 138 ts_double shY(ts_int l,ts_int m,ts_double theta,ts_double fi){
139     ts_double fac1, fac2, K;
140     int i;
141
142     if(l<0 || m>l || m<-l)
143         fatal("Error using shY function!",1);
144
145     fac1=1.0;
af3bad 146     for(i=1; i<=l-abs(m);i++){
88f451 147         fac1 *= i;
SP 148     }
149     fac2=1.0;
af3bad 150     for(i=1; i<=l+abs(m);i++){
88f451 151         fac2 *= i;
SP 152     }
153
154     if(m==0){
155         K=sqrt(1.0/(2.0*M_PI));
156     }
157     else if (m>0) {
158         K=sqrt(1.0/(M_PI))*cos(m*fi);
159     } 
160     else {
161         //K=pow(-1.0,abs(m))*sqrt(1.0/(2.0*M_PI))*cos(m*fi);
162         if(abs(m)%2==0)
af3bad 163         K=sqrt(1.0/(M_PI))*cos(m*fi);
88f451 164         else
af3bad 165         K=-sqrt(1.0/(M_PI))*cos(m*fi);
88f451 166     }
SP 167     
168     return K*sqrt((2.0*l+1.0)/2.0*fac1/fac2)*plgndr(l,abs(m),cos(theta));    
169 }
523bf1 170
SP 171
172 /* Function transforms coordinates from cartesian to spherical coordinates
173  * (r,phi, theta). */
174 ts_bool *cart2sph(ts_coord *coord, ts_double x, ts_double y, ts_double z){
175     coord->coord_type=TS_COORD_SPHERICAL;
176 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
177     coord->e1=sqrt(x*x+y*y+z*z);
178     if(z==0) coord->e3=M_PI/2.0;
179     else coord->e3=atan(sqrt(x*x+y*y)/z);
180     coord->e2=atan2(y,x);
181 #endif
182 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
183     coord->e1=sqrtf(x*x+y*y+z*z);
184     if(z==0) coord->e3=M_PI/2.0;
185     else coord->e3=atanf(sqrtf(x*x+y*y)/z);
186     coord->e2=atan2f(y,x);
187 #endif
188 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
189     coord->e1=sqrtl(x*x+y*y+z*z);
190     if(z==0) coord->e3=M_PI/2.0;
191     else coord->e3=atanl(sqrtl(x*x+y*y)/z);
192     coord->e2=atan2l(y,x);
193 #endif
194
195     return TS_SUCCESS;
196 }
197
198 /* Function returns radius of the sphere with the same volume as vesicle (r0) */
199 ts_double getR0(ts_vesicle *vesicle){
200     ts_double r0;
201  #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
202    r0=pow(vesicle->volume*3.0/4.0/M_PI,1.0/3.0);
203 #endif
204 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
205    r0=powf(vesicle->volume*3.0/4.0/M_PI,1.0/3.0);
206 #endif
207 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
208    r0=powl(vesicle->volume*3.0/4.0/M_PI,1.0/3.0);
209 #endif
210     return r0;
211 }
212
213
214 ts_bool preparationSh(ts_vesicle *vesicle, ts_double r0){
215 //TODO: before calling or during the call calculate area of each triangle! Can
216 //be also done after vertexmove and bondflip //
217     ts_uint i,j;
218     ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx;
219     ts_vertex *cvtx;
220     ts_triangle *ctri;
221     ts_double centroid[3];
222     ts_double r;
223     for (i=0;  i<vesicle->vlist->n; i++){
224         cvtx=vtx[i];
225         //cvtx->projArea=4.0*M_PI/1447.0*(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z)/r0/r0;
226         cvtx->projArea=0.0;
227
228         /* go over all triangles that have a common vertex i */
229         for(j=0; j<cvtx->tristar_no; j++){
230             ctri=cvtx->tristar[j];
231             centroid[0]=(ctri->vertex[0]->x + ctri->vertex[1]->x + ctri->vertex[2]->x)/3.0;
232             centroid[1]=(ctri->vertex[0]->y + ctri->vertex[1]->y + ctri->vertex[2]->y)/3.0;
233             centroid[2]=(ctri->vertex[0]->z + ctri->vertex[1]->z + ctri->vertex[2]->z)/3.0;
234         /* calculating projArea+= area(triangle)*cos(theta) */
235 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
236             cvtx->projArea = cvtx->projArea + ctri->area*(-centroid[0]*ctri->xnorm - centroid[1]*ctri->ynorm - centroid[2]*ctri->znorm)/ sqrt(centroid[0]*centroid[0]+centroid[1]*centroid[1]+centroid[2]*centroid[2]);
237 #endif
238 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
239             cvtx->projArea = cvtx->projArea + ctri->area*(-centroid[0]*ctri->xnorm - centroid[1]*ctri->ynorm - centroid[2]*ctri->znorm)/ sqrtf(centroid[0]*centroid[0]+centroid[1]*centroid[1]+centroid[2]*centroid[2]);
240 #endif
241 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
242             cvtx->projArea = cvtx->projArea + ctri->area*(-centroid[0]*ctri->xnorm - centroid[1]*ctri->ynorm - centroid[2]*ctri->znorm)/ sqrtl(centroid[0]*centroid[0]+centroid[1]*centroid[1]+centroid[2]*centroid[2]);
243 #endif
244         }
245
246     cvtx->projArea=cvtx->projArea/3.0;
247         //we dont store spherical coordinates of vertex, so we have to calculate
248         //r(i) at this point.
249 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
250     r=sqrt(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z);
251 #endif
252 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
253     r=sqrtf(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z);
254 #endif
255 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
256     r=sqrtl(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z);
257 #endif
258     cvtx->relR=(r-r0)/r0;
259     cvtx->solAngle=cvtx->projArea/cvtx->relR * cvtx->projArea/cvtx->relR;
260     }
261     return TS_SUCCESS;
262 }
263
264
265
266 ts_bool calculateYlmi(ts_vesicle *vesicle){
267     ts_uint i,j,k;
268     ts_spharm *sph=vesicle->sphHarmonics;
269     ts_coord *coord=(ts_coord *)malloc(sizeof(ts_coord));
270     ts_double fi, theta;
074a17 271     ts_vertex *cvtx;
523bf1 272     for(k=0;k<vesicle->vlist->n;k++){
074a17 273         cvtx=vesicle->vlist->vtx[k];
SP 274         cvtx->Ylm[0][0]=sqrt(1.0/4.0/M_PI);
275         cart2sph(coord,cvtx->x, cvtx->y, cvtx->z);
523bf1 276         fi=coord->e2;
SP 277         theta=coord->e3; 
278         for(i=0; i<sph->l; i++){
279             for(j=0;j<i;j++){
074a17 280                 cvtx->Ylm[i][j]=sph->co[i][j]*cos((j-i-1)*fi)*pow(-1,j-i-1)*plgndr(i,abs(j-i-1),cos(theta));
523bf1 281             }
074a17 282                 cvtx->Ylm[i][j+1]=sph->co[i][j+1]*plgndr(i,0,cos(theta));
523bf1 283             for(j=sph->l;j<2*i;j++){
074a17 284                 cvtx->Ylm[i][j]=sph->co[i][j]*sin((j-i-1)*fi)*plgndr(i,j-i-1,cos(theta));
523bf1 285             }
SP 286         }
287
288     }
289     free(coord);
290     return TS_SUCCESS;
291 }
292
293
294
295 ts_bool calculateUlm(ts_vesicle *vesicle){
296     ts_uint i,j,k;
297     ts_vertex *cvtx;
298     for(i=0;i<vesicle->sphHarmonics->l;i++){
299         for(j=0;j<2*i;j++) vesicle->sphHarmonics->ulm[i][j]=0.0;
300     }
301
302 //TODO: call calculateYlmi !!!
303
304
305     for(k=0;k<vesicle->vlist->n; k++){
306         cvtx=vesicle->vlist->vtx[k];
307         for(i=0;i<vesicle->sphHarmonics->l;i++){
308             for(j=0;j<2*i;j++){
074a17 309                 vesicle->sphHarmonics->ulm[i][j]+= cvtx->solAngle*cvtx->relR*cvtx->Ylm[i][j];
523bf1 310             }
SP 311
312         }
313     }
314
315     return TS_SUCCESS;
316 }