Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2014-04-23 f06f5f9ad1e42a10d6a9367513e66c0c06295de2
commit | author | age
7958e9 1 #include<stdlib.h>
SP 2 #include<math.h>
3 #include<stdio.h>
4 #include "general.h"
5 #include "vertex.h"
6 #include "bond.h"
7 #include "vesicle.h"
8 #include "vertex.h"
9 #include "triangle.h"
10 #include "initial_distribution.h"
f74313 11 #include "energy.h"
1ab449 12 #include "poly.h"
8a6614 13 #include "io.h"
dc77e8 14 #include "sh.h"
459ff9 15 #include "shcomplex.h"
7958e9 16
SP 17 ts_vesicle *initial_distribution_dipyramid(ts_uint nshell, ts_uint ncmax1, ts_uint ncmax2, ts_uint ncmax3, ts_double stepsize){
1ab449 18     ts_fprintf(stdout,"Starting initial_distribution on vesicle with %u shells!...\n",nshell);
7958e9 19     ts_bool retval;
1ab449 20     ts_uint no_vertices=5*nshell*nshell+2;    
SP 21     ts_vesicle *vesicle=init_vesicle(no_vertices,ncmax1,ncmax2,ncmax3,stepsize);
22     vesicle->nshell=nshell;
23     //retval = vtx_set_global_values(vesicle);
24     retval = pentagonal_dipyramid_vertex_distribution(vesicle->vlist);
25     retval = init_vertex_neighbours(vesicle->vlist);
26     vesicle->vlist = init_sort_neighbours(vesicle->blist,vesicle->vlist);
b01cc1 27    // retval = init_vesicle_bonds(vesicle); // bonds are created in sort_neigh
1ab449 28     retval = init_triangles(vesicle);
SP 29     retval = init_triangle_neighbours(vesicle);
30     retval = init_common_vertex_triangle_neighbours(vesicle);
31     retval = init_normal_vectors(vesicle->tlist);
32     retval = mean_curvature_and_energy(vesicle);
33     ts_fprintf(stdout,"initial_distribution finished!\n");
41a035 34     if(retval);
7958e9 35     return vesicle;
SP 36
37
38
1ab449 39
SP 40 ts_vesicle *create_vesicle_from_tape(ts_tape *tape){
41     ts_vesicle *vesicle;
bcf455 42     ts_vertex *vtx;
M 43
1ab449 44     vesicle=initial_distribution_dipyramid(tape->nshell,tape->ncxmax,tape->ncymax,tape->nczmax,tape->stepsize);
58230a 45     // Nucleus:
fe24d2 46     vesicle->R_nucleus=tape->R_nucleus*tape->R_nucleus;
M 47
48     vesicle->clist->dmin_interspecies = tape->dmin_interspecies*tape->dmin_interspecies;
bcf455 49
58230a 50     //Initialize grafted polymers (brush):
624f81 51     vesicle->poly_list=init_poly_list(tape->npoly,tape->nmono, vesicle->vlist, vesicle);
1ab449 52     vesicle->spring_constant=tape->kspring;
SP 53     poly_assign_spring_const(vesicle);
bcf455 54
58230a 55     //Initialize filaments (polymers inside the vesicle):
M 56     vesicle->filament_list=init_poly_list(tape->nfil,tape->nfono, NULL, vesicle);
bcf455 57     poly_assign_filament_xi(vesicle,tape);
58230a 58
bcf455 59     ts_uint i,j;
M 60     for(i=0;i<vesicle->filament_list->n;i++){
61         for(j=0;j<vesicle->filament_list->poly[i]->blist->n;j++){
62             bond_vector(vesicle->filament_list->poly[i]->blist->bond[j]);
63             vesicle->filament_list->poly[i]->blist->bond[j]->bond_length = sqrt(vtx_distance_sq(vesicle->filament_list->poly[i]->blist->bond[j]->vtx1,vesicle->filament_list->poly[i]->blist->bond[j]->vtx2));
64         }
58230a 65     }
bcf455 66
M 67     for(i=0;i<vesicle->filament_list->n;i++){
68         for(j=0;j<vesicle->filament_list->poly[i]->vlist->n;j++){
69             vtx = vesicle->filament_list->poly[i]->vlist->vtx[j];
70             if(vtx->bond_no == 2){
71             vtx->energy = -(vtx->bond[0]->x*vtx->bond[1]->x + vtx->bond[0]->y*vtx->bond[1]->y + vtx->bond[0]->z*vtx->bond[1]->z)/vtx->bond[0]->bond_length/vtx->bond[1]->bond_length;
72             }
73         }
58230a 74     }
bcf455 75
ea1cce 76     for(i=0;i<vesicle->filament_list->n;i++){
M 77         vertex_list_assign_id(vesicle->filament_list->poly[i]->vlist,TS_ID_FILAMENT);
78     }
bcf455 79
58230a 80 //    vesicle->spring_constant=tape->kspring;
M 81 //    poly_assign_spring_const(vesicle);
82
1ab449 83     
SP 84     vesicle->nshell=tape->nshell;
85     vesicle->dmax=tape->dmax*tape->dmax; /* dmax^2 in the vesicle dmax variable */
86     vesicle->bending_rigidity=tape->xk0;
87     vtx_set_global_values(vesicle); /* make xk0 default value for every vertex */ 
88     ts_fprintf(stdout, "Tape setting: xk0=%e\n",tape->xk0);
89     vesicle->stepsize=tape->stepsize;
90     vesicle->clist->ncmax[0]=tape->ncxmax;
91     vesicle->clist->ncmax[1]=tape->ncymax;
92     vesicle->clist->ncmax[2]=tape->nczmax;
93     vesicle->clist->max_occupancy=8; /* hard coded max occupancy? */
94
95     vesicle->pressure= tape->pressure;
96     vesicle->pswitch=tape->pswitch;
632960 97     if(tape->shc>0){
459ff9 98         vesicle->sphHarmonics=complex_sph_init(vesicle->vlist,tape->shc);
632960 99     }
SP 100     else {
101         vesicle->sphHarmonics=NULL;
102     }
1ab449 103     return vesicle;
SP 104
105 }
106
107
108
109
110
7958e9 111 ts_bool pentagonal_dipyramid_vertex_distribution(ts_vertex_list *vlist){
SP 112     /* Some often used relations */
113     const ts_double s1= sin(2.0*M_PI/5.0);
114     const ts_double s2= sin(4.0*M_PI/5.0);
115     const ts_double c1= cos(2.0*M_PI/5.0);
116     const ts_double c2= cos(4.0*M_PI/5.0);
117
118     /* Calculates projection lenght of an edge bond to pentagram plane */
119     const ts_double xl0=A0/(2.0*sin(M_PI/5.0));
120 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
121     const ts_double z0=sqrt(pow(A0,2)-pow(xl0,2));
122 #endif
123 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
124     const ts_double z0=sqrtf(powf(A0,2)-powf(xl0,2));
125 #endif
126 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
127     const ts_double z0=sqrtl(powl(A0,2)-powl(xl0,2));
128 #endif
129 //    const z0=sqrt(A0*A0 -xl0*xl0); /* I could use pow function but if pow is used make a check on the float type. If float then powf, if long double use powl */
130
131 /*placeholder for the pointer to vertex datastructure list... DIRTY: actual pointer points towards invalid address, one position before actual beginning of the list... This is to solve the difference between 1 based indexing in original program in fortran and 0 based indexing in C. All algorithms remain unchanged because of this!*/
132     ts_vertex **vtx=vlist->vtx -1 ; 
133
134
135     ts_uint nshell=(ts_uint)( sqrt((ts_double)(vlist->n-2)/5));
136 //    printf("nshell=%u\n",nshell);
137     ts_uint i,n0; // some for loop prereq
138     ts_int j,k;
139     ts_double dx,dy; // end loop prereq
140
141     /* topmost vertex */
8f6a69 142     vtx[1]->x=0.0;
SP 143     vtx[1]->y=0.0;
144     vtx[1]->z=z0*(ts_double)nshell;
7958e9 145     
SP 146     /* starting from to in circular order on pentagrams */    
147     for(i=1;i<=nshell;i++){
148         n0=2+5*i*(i-1)/2; //-1 would be for the reason that C index starts from 0 
8f6a69 149         vtx[n0]->x=0.0;
SP 150         vtx[n0]->y=(ts_double)i*xl0;
151         vtx[n0+i]->x=vtx[n0]->y*s1;
152         vtx[n0+i]->y=vtx[n0]->y*c1;
153         vtx[n0+2*i]->x=vtx[n0]->y*s2;
154         vtx[n0+2*i]->y=vtx[n0]->y*c2;
155         vtx[n0+3*i]->x=-vtx[n0+2*i]->x;
156         vtx[n0+3*i]->y=vtx[n0+2*i]->y;
157         vtx[n0+4*i]->x=-vtx[n0+i]->x;
158         vtx[n0+4*i]->y=vtx[n0+i]->y;
7958e9 159     }
SP 160
161     /* vertexes on the faces of the dipyramid */
162     for(i=1;i<=nshell;i++){
163         n0=2+5*i*(i-1)/2; // -1 would be because of C!
164         for(j=1;j<=i-1;j++){
8f6a69 165             dx=(vtx[n0]->x-vtx[n0+4*i]->x)/(ts_double)i;
SP 166             dy=(vtx[n0]->y-vtx[n0+4*i]->y)/(ts_double)i;
167             vtx[n0+4*i+j]->x=(ts_double)j*dx+vtx[n0+4*i]->x;
168             vtx[n0+4*i+j]->y=(ts_double)j*dy+vtx[n0+4*i]->y;
7958e9 169         }
SP 170         for(k=0;k<=3;k++){ // I would be worried about zero starting of for
8f6a69 171             dx=(vtx[n0+(k+1)*i]->x - vtx[n0+k*i]->x)/(ts_double) i;
SP 172             dy=(vtx[n0+(k+1)*i]->y - vtx[n0+k*i]->y)/(ts_double) i;
7958e9 173             for(j=1; j<=i-1;j++){
8f6a69 174                 vtx[n0+k*i+j]->x= (ts_double)j*dx+vtx[n0+k*i]->x;
SP 175                 vtx[n0+k*i+j]->y= (ts_double)j*dy+vtx[n0+k*i]->y;
7958e9 176             } 
SP 177         } 
178     }
179
180     for(i=1;i<=nshell;i++){
181         n0= 2+ 5*i*(i-1)/2;
182         for(j=0;j<=5*i-1;j++){
8f6a69 183         vtx[n0+j]->z= z0*(ts_double)(nshell-i);   // I would be worried about zero starting of for
7958e9 184         }
SP 185     }
186
187 /* for botom part of dipyramide we calculate the positions of vertices */
188     for(i=2+5*nshell*(nshell+1)/2;i<=vlist->n;i++){
8f6a69 189         vtx[i]->x=vtx[vlist->n - i +1]->x;
SP 190         vtx[i]->y=vtx[vlist->n - i +1]->y;
191         vtx[i]->z=-vtx[vlist->n - i +1]->z;
7958e9 192     }
SP 193
194     for(i=1;i<=vlist->n;i++){
195         for(j=1;j<=vlist->n;j++){
196             if(i!=j && vtx_distance_sq(vtx[i],vtx[j])<0.001){
197                 printf("Vertices %u and %u are the same!\n",i,j);
198             }
199         }
200     }
201     return TS_SUCCESS;
202 }
203
204
205
206 ts_bool init_vertex_neighbours(ts_vertex_list *vlist){
207     ts_vertex **vtx=vlist->vtx -1; // take a look at dipyramid function for comment.
208     const ts_double eps=0.001; //TODO: find out if you can use EPS from math.h
209     ts_uint i,j;
210     ts_double dist2; // Square of distance of neighbours
211     /*this is not required if we zero all data in vertex structure at initialization */
212     /*if we force zeroing at initialization this for loop can safely be deleted */
213     //for(i=1;i<=vlist->n;i++){
214     //    vtx[i].neigh_no=0;
215     //}
216     for(i=1;i<=vlist->n;i++){
217         for(j=1;j<=vlist->n;j++){
218             dist2=vtx_distance_sq(vtx[i],vtx[j]);
219             if( (dist2>eps) && (dist2<(A0*A0+eps))){ 
220     //if it is close enough, but not too much close (solves problem of comparing when i==j)
221                 vtx_add_neighbour(vtx[i],vtx[j]);
222             }
223         }
224     //        printf ("vertex %u ima %u sosedov!\n",i,vtx[i]->data->neigh_no);
225     }
226
227     return TS_SUCCESS;
228 }
229
b01cc1 230 // TODO: with new datastructure can be rewritten. Partially it is done, but it is complicated.
SP 231 ts_vertex_list *init_sort_neighbours(ts_bond_list *blist,ts_vertex_list *vlist){
7958e9 232     ts_vertex **vtx=vlist->vtx -1; // take a look at dipyramid function for comment.
SP 233     ts_uint i,l,j,jj,jjj,k=0;   
234     ts_double eps=0.001; // Take a look if EPS from math.h can be used
235
236 /*lets initialize memory for temporary vertex_list. Should we write a function instead */
b01cc1 237     ts_vertex_list *tvlist=vertex_list_copy(vlist);
7958e9 238     ts_vertex **tvtx=tvlist->vtx -1;  /* again to compensate for 0-indexing */
SP 239
240     ts_double dist2; // Square of distance of neighbours
241     ts_double direct; // Something, dont know what, but could be normal of some kind
242     for(i=1;i<=vlist->n;i++){
243         k++; // WHY i IS NOT GOOD??
8f6a69 244            vtx_add_cneighbour(blist,tvtx[k], tvtx[vtx[i]->neigh[0]->idx+1]); //always add 1st
7958e9 245            jjj=1;
SP 246            jj=1;
8f6a69 247            for(l=2;l<=vtx[i]->neigh_no;l++){
SP 248                for(j=2;j<=vtx[i]->neigh_no;j++){
249                    dist2=vtx_distance_sq(vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
250                    direct=vtx_direct(vtx[i],vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
251 // TODO: check if fabs can be used with all floating point types!!
7958e9 252                    if( (fabs(dist2-A0*A0)<=eps) && (direct>0.0) && (j!=jjj) ){
8f6a69 253                        vtx_add_cneighbour(blist,tvtx[k],tvtx[vtx[i]->neigh[j-1]->idx+1]);
7958e9 254                        jjj=jj;
SP 255                        jj=j;
256                        break;
257                    }
258                }
259            }    
260     }
b01cc1 261 /* We use the temporary vertex for our main vertices and we abandon main
SP 262  * vertices, because their neighbours are not correctly ordered */
263    // tvtx=vlist->vtx;
264    // vlist->vtx=tvtx;
265    // tvlist->vtx=vtx;
266     vtx_list_free(vlist);
267 /* Let's make a check if the number of bonds is correct */
268     if((blist->n)!=3*(tvlist->n-2)){
269         ts_fprintf(stderr,"Number of bonds is %u should be %u!\n", blist->n, 3*(tvlist->n-2));
270         fatal("Number of bonds is not 3*(no_vertex-2).",4);
7958e9 271     }
SP 272
b01cc1 273     return tvlist;
7958e9 274 }
SP 275
276
277 ts_bool init_vesicle_bonds(ts_vesicle *vesicle){
278     ts_vertex_list *vlist=vesicle->vlist;
279     ts_bond_list *blist=vesicle->blist;
280     ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx - 1; // Because of 0 indexing
281 /* lets make correct clockwise ordering of in nearest neighbour list */
282     ts_uint i,j,k;
283     for(i=1;i<=vlist->n;i++){
284         for(j=i+1;j<=vlist->n;j++){
8f6a69 285             for(k=0;k<vtx[i]->neigh_no;k++){ // has changed 0 to < instead of 1 and <=
SP 286                 if(vtx[i]->neigh[k]==vtx[j]){  //if addresses matches it is the same
7958e9 287                     bond_add(blist,vtx[i],vtx[j]);
SP 288                     break;
289                 }
290             }
291         }
292     } 
293 /* Let's make a check if the number of bonds is correct */
294     if((blist->n)!=3*(vlist->n-2)){
295         ts_fprintf(stderr,"Number of bonds is %u should be %u!\n", blist->n, 3*(vlist->n-2));
296         fatal("Number of bonds is not 3*(no_vertex-2).",4);
297     }
298     return TS_SUCCESS;
299 }
300
301
302
303 ts_bool init_triangles(ts_vesicle *vesicle){
304     ts_uint i,j,jj,k;
305     ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx -1; // difference between 0 indexing and 1 indexing
306     ts_triangle_list *tlist=vesicle->tlist;
307     ts_double dist, direct;
308     ts_double eps=0.001; // can we use EPS from math.h?
309     k=0;
310     for(i=1;i<=vesicle->vlist->n;i++){
8f6a69 311         for(j=1;j<=vtx[i]->neigh_no;j++){
SP 312             for(jj=1;jj<=vtx[i]->neigh_no;jj++){
7958e9 313         //        ts_fprintf(stderr,"%u: (%u,%u) neigh_no=%u ",i,j,jj,vtx[i].neigh_no);
SP 314         //      ts_fprintf(stderr,"%e, %e",vtx[i].neigh[j-1]->x,vtx[i].neigh[jj-1]->x);
8f6a69 315                 dist=vtx_distance_sq(vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
SP 316                 direct=vtx_direct(vtx[i],vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);                
317 // TODO: same as above                
318                 if(fabs(dist-A0*A0)<=eps && direct < 0.0 && vtx[i]->neigh[j-1]->idx+1 > i && vtx[i]->neigh[jj-1]->idx+1 >i){
319                     triangle_add(tlist,vtx[i],vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
7958e9 320                 }    
SP 321             }    
322         }
323     }
324 /* We check if all triangles have 3 vertices and if the number of triangles
325  * matches the theoretical value.
326  */
327     for(i=0;i<tlist->n;i++){
328         k=0;
329         for(j=0;j<3;j++){
41a035 330             if(tlist->tria[i]->vertex[j]!=NULL)
7958e9 331             k++;
SP 332         }
333             if(k!=3){
8f6a69 334                 fatal("Some triangles have less than 3 vertices..",4);
7958e9 335             }   
SP 336     } 
337     if(tlist->n!=2*(vesicle->vlist->n -2)){
338         ts_fprintf(stderr,"The number of triangles is %u but should be %u!\n",tlist->n,2*(vesicle->vlist->n -2));
339         fatal("The number of triangles doesn't match 2*(no_vertex -2).",4);
340     }
341     return TS_SUCCESS;
342 }
343
344
345
346 ts_bool init_triangle_neighbours(ts_vesicle *vesicle){
347     ts_uint i,j,nobo;
348     ts_vertex *i1,*i2,*i3,*j1,*j2,*j3;
349 //    ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx -1; // difference between 0 indexing and 1 indexing
350     ts_triangle_list *tlist=vesicle->tlist;
351     ts_triangle **tria=tlist->tria -1;
352     nobo=0;
353     for(i=1;i<=tlist->n;i++){
41a035 354         i1=tria[i]->vertex[0]; 
SP 355         i2=tria[i]->vertex[1]; 
356         i3=tria[i]->vertex[2]; 
7958e9 357         for(j=1;j<=tlist->n;j++){
SP 358             if(j==i) continue;
41a035 359             j1=tria[j]->vertex[0]; 
SP 360             j2=tria[j]->vertex[1]; 
361             j3=tria[j]->vertex[2]; 
7958e9 362             if((i1==j1 && i3==j2) || (i1==j2 && i3==j3) || (i1==j3 && i3==j1)){
SP 363                     triangle_add_neighbour(tria[i],tria[j]);
364                     nobo++;
365             }
366         }
367     }
368     for(i=1;i<=tlist->n;i++){
41a035 369         i1=tria[i]->vertex[0]; 
SP 370         i2=tria[i]->vertex[1]; 
371         i3=tria[i]->vertex[2]; 
7958e9 372         for(j=1;j<=tlist->n;j++){
SP 373             if(j==i) continue;
41a035 374             j1=tria[j]->vertex[0]; 
SP 375             j2=tria[j]->vertex[1]; 
376             j3=tria[j]->vertex[2]; 
7958e9 377             if((i1==j1 && i2==j3) || (i1==j3 && i2==j2) || (i1==j2 && i2==j1)){
SP 378                 triangle_add_neighbour(tria[i],tria[j]);
379                 nobo++;
380             }
381         }
382     }
383     for(i=1;i<=tlist->n;i++){
41a035 384         i1=tria[i]->vertex[0]; 
SP 385         i2=tria[i]->vertex[1]; 
386         i3=tria[i]->vertex[2]; 
7958e9 387         for(j=1;j<=tlist->n;j++){
SP 388             if(j==i) continue;
41a035 389             j1=tria[j]->vertex[0]; 
SP 390             j2=tria[j]->vertex[1]; 
391             j3=tria[j]->vertex[2]; 
7958e9 392             if((i2==j1 && i3==j3) || (i2==j3 && i3==j2) || (i2==j2 && i3==j1)){
SP 393                 triangle_add_neighbour(tria[i],tria[j]);
394                 nobo++;
395             }
396         }
397     }
398     if(nobo != vesicle->blist->n*2) {
399             ts_fprintf(stderr,"Number of triangles= %u, number of bonds= %u\n",nobo/2, vesicle->blist->n);
400             fatal("Number of triangle neighbour pairs differs from double the number of bonds!",4);
401     }
402     return TS_SUCCESS;
403 }
404
405
406 ts_bool init_common_vertex_triangle_neighbours(ts_vesicle *vesicle){
407     ts_uint i,j,jp,k;
408     ts_vertex *k1,*k2,*k3,*k4,*k5;
409     ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx -1; // difference between 0 indexing and 1 indexing
410     ts_triangle_list *tlist=vesicle->tlist;
411     ts_triangle **tria=tlist->tria -1;
412
413     for(i=1;i<=vesicle->vlist->n;i++){
8f6a69 414         for(j=1;j<=vtx[i]->neigh_no;j++){
SP 415             k1=vtx[i]->neigh[j-1];
7958e9 416             jp=j+1;
8f6a69 417             if(j == vtx[i]->neigh_no) jp=1;
SP 418             k2=vtx[i]->neigh[jp-1];
7958e9 419             for(k=1;k<=tlist->n;k++){        // VERY NON-OPTIMAL!!! too many loops (vlist.n * vtx.neigh * tlist.n )!
41a035 420                 k3=tria[k]->vertex[0];
SP 421                 k4=tria[k]->vertex[1];
422                 k5=tria[k]->vertex[2];
7958e9 423 //                ts_fprintf(stderr,"%u %u: k=(%u %u %u)\n",k1,k2,k3,k4,k5);
SP 424                 if((vtx[i]==k3 && k1==k4 && k2==k5) ||
425                 (vtx[i]==k4 && k1==k5 && k2==k3) ||
426                 (vtx[i]==k5 && k1==k3 && k2==k4)){
b01cc1 427
SP 428 //TODO: probably something wrong with neighbour distribution.
429 //                if(vtx[i]==k3 || vtx[i]==k4 || vtx[i]==k5){
dac2e5 430     //                    if(i==6) ts_fprintf(stdout, "Vtx[%u] > Added to tristar!\n",i);
7958e9 431                     vertex_add_tristar(vtx[i],tria[k]);
SP 432                 }
433             }
434         }
435 /*        ts_fprintf(stderr,"TRISTAR for %u (%u):",i-1,vtx[i].tristar_no);
436         for(j=0;j<vtx[i].tristar_no;j++){
437             ts_fprintf(stderr," %u,",vtx[i].tristar[j]->idx);
438         }
439         ts_fprintf(stderr,"\n"); */
440     }
441     return TS_SUCCESS;
442 }
443
444
445 ts_bool init_normal_vectors(ts_triangle_list *tlist){
446     /* Normals point INSIDE vesicle */
447     ts_uint k;
448     ts_triangle **tria=tlist->tria -1; //for 0 indexing
449     for(k=1;k<=tlist->n;k++){
450         triangle_normal_vector(tria[k]);    
451     }
452     return TS_SUCCESS;
453 }