Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2014-03-08 7efbb1dbd7c2c1368c429858a32fbeb9467420a8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
#include<stdlib.h>
#include<math.h>
#include "general.h"
#include "vertex.h"
#include "bond.h"
#include "triangle.h"
#include "vesicle.h"
#include "energy.h"
#include "timestep.h"
#include "cell.h"
#include "bondflip.h"
//#include "io.h"
#include<stdio.h>
#include<string.h>
 
ts_bool single_bondflip_timestep(ts_vesicle *vesicle, ts_bond *bond, ts_double *rn){
/*c  Vertex and triangle (lm and lp) indexing for bond flip:
c      +----- k-------+              +----- k ------+
c      |lm1 / | \ lp1 |              |lm1 /   \ lp1 |
c      |  /   |   \   |              |  /       \   |
c      |/     |     \ |     FLIP     |/    lm     \ |
c     km  lm  | lp   kp    --->      km ---------- kp  
c      |\     |     / |              |\    lp     / |  
c      |  \   |   /   |              |  \       /   |
c      |lm2 \ | / lp2 |              |lm2 \   / lp2 |
c      +------it------+              +----- it -----+
c
*/
    ts_vertex *it=bond->vtx1;
    ts_vertex *k=bond->vtx2;
    ts_uint nei,neip,neim;
    ts_uint i,j;
    ts_double oldenergy, delta_energy, dvol=0.0;
    ts_triangle *lm=NULL,*lp=NULL, *lp1=NULL, *lm2=NULL;
 
    ts_vertex *kp,*km;
 
    if(it->neigh_no< 3) return TS_FAIL;
    if(k->neigh_no< 3) return TS_FAIL;
    if(k==NULL || it==NULL){
        fatal("In bondflip, number of neighbours of k or it is less than 3!",999);
    }
 
    nei=0;
    for(i=0;i<it->neigh_no;i++){ // Finds the nn of it, that is k 
        if(it->neigh[i]==k){
            nei=i;
            break;
        }
    }
    neip=nei+1;  // I don't like it.. Smells like I must have it in correct order
    neim=nei-1;
    if(neip>=it->neigh_no) neip=0;
    if((ts_int)neim<0) neim=it->neigh_no-1; /* casting is essential... If not
there the neim is never <0 !!! */
  //  fprintf(stderr,"The numbers are: %u %u\n",neip, neim);
    km=it->neigh[neim];  // We located km and kp
    kp=it->neigh[neip];
 
    if(km==NULL || kp==NULL){
        fatal("In bondflip, cannot determine km and kp!",999);
    }
 
  //  fprintf(stderr,"I WAS HERE! after the 4 vertices are known!\n");
 
/* test if the membrane is wrapped too much, so that kp is nearest neighbour of
 * km. If it is true, then don't flip! */
    for(i=0;i<km->neigh_no;i++){
        if(km->neigh[i] == kp) return TS_FAIL;
    }
 //   fprintf(stderr,"Membrane didn't wrap too much.. Continue.\n");
/* if bond would be too long, return... */
    if(vtx_distance_sq(km,kp) > vesicle->dmax ) return TS_FAIL;
 //   fprintf(stderr,"Bond will not be too long.. Continue.\n");
 
/* we make a bond flip. this is different than in original fortran */
// find lm, lp
// 1. step. We find lm and lp from k->tristar !
    for(i=0;i<it->tristar_no;i++){
        for(j=0;j<k->tristar_no;j++){
            if((it->tristar[i] == k->tristar[j])){ //ce gre za skupen trikotnik
                if((it->tristar[i]->vertex[0] == km || it->tristar[i]->vertex[1]
== km || it->tristar[i]->vertex[2]== km )){
                lm=it->tristar[i];
         //       lmidx=i;
                }
                else
                {
                lp=it->tristar[i];
         //       lpidx=i;
                }
 
            }
        }
    }
if(lm==NULL || lp==NULL) fatal("ts_flip_bond: Cannot find triangles lm and lp!",999);
 
//we look for important triangles lp1 and lm2.
 
 for(i=0;i<k->tristar_no;i++){
        for(j=0;j<kp->tristar_no;j++){
                if((k->tristar[i] == kp->tristar[j]) && k->tristar[i]!=lp){ //ce gre za skupen trikotnik
                    lp1=k->tristar[i];
            }
        }
}
 
 for(i=0;i<it->tristar_no;i++){
        for(j=0;j<km->tristar_no;j++){
            if((it->tristar[i] == km->tristar[j]) && it->tristar[i]!=lm){ //ce gre za skupen trikotnik
                    lm2=it->tristar[i];
            } 
        }
    }
 
if(lm2==NULL || lp1==NULL) fatal("ts_flip_bond: Cannot find triangles lm2 and lp1!",999);
 
 
/* backup old structure */
/* need to backup:
 * vertices k, kp, km, it
 * triangles lm, lp, lm2, lp1
 * bond
 */
ts_vertex *bck_vtx[4];
ts_triangle *bck_tria[4];
ts_bond *bck_bond;
ts_vertex *orig_vtx[]={k,it,kp,km};
ts_triangle *orig_tria[]={lm,lp,lm2,lp1};
 
//fprintf(stderr,"Backuping!!!\n");
    bck_bond=(ts_bond *)malloc(sizeof(ts_bond));
for(i=0;i<4;i++){
/*    fprintf(stderr,"vtx neigh[%d]=",i);
    for(j=0;j<orig_vtx[i]->neigh_no;j++) fprintf(stderr," %d", orig_vtx[i]->neigh[j]->idx);
    fprintf(stderr,"\n");
*/
    bck_vtx[i]=(ts_vertex *)malloc(sizeof(ts_vertex));
    bck_tria[i]=(ts_triangle *)malloc(sizeof(ts_triangle));
    memcpy((void *)bck_vtx[i],(void *)orig_vtx[i],sizeof(ts_vertex));
    memcpy((void *)bck_tria[i],(void *)orig_tria[i],sizeof(ts_triangle));
    /* level 2 pointers */
 
    bck_vtx[i]->neigh=(ts_vertex **)malloc(orig_vtx[i]->neigh_no*sizeof(ts_vertex *));
    bck_vtx[i]->tristar=(ts_triangle **)malloc(orig_vtx[i]->tristar_no*sizeof(ts_triangle *));
    bck_vtx[i]->bond=(ts_bond **)malloc(orig_vtx[i]->bond_no*sizeof(ts_bond *));
    bck_tria[i]->neigh=(ts_triangle **)malloc(orig_tria[i]->neigh_no*sizeof(ts_triangle *));
 
    memcpy((void *)bck_vtx[i]->neigh,(void *)orig_vtx[i]->neigh,orig_vtx[i]->neigh_no*sizeof(ts_vertex *));
    memcpy((void *)bck_vtx[i]->tristar,(void *)orig_vtx[i]->tristar,orig_vtx[i]->tristar_no*sizeof(ts_triangle *));
    memcpy((void *)bck_vtx[i]->bond,(void *)orig_vtx[i]->bond,orig_vtx[i]->bond_no*sizeof(ts_bond *));
    
    memcpy((void *)bck_tria[i]->neigh,(void *)orig_tria[i]->neigh,orig_tria[i]->neigh_no*sizeof(ts_triangle *));    
}
    memcpy(bck_bond,bond,sizeof(ts_bond));
//fprintf(stderr,"Backup complete!!!\n");
/* end backup vertex */
 
/* Save old energy */
  oldenergy=0;
  oldenergy+=k->xk* k->energy;
  oldenergy+=kp->xk* kp->energy;
  oldenergy+=km->xk* km->energy;
  oldenergy+=it->xk* it->energy;
  //Neigbours of k, it, km, kp don't change its energy.
 
    if(vesicle->pswitch == 1){dvol = -lm->volume - lp->volume;}
 
/* fix data structure for flipped bond */
    ts_flip_bond(k,it,km,kp, bond,lm, lp, lm2, lp1);
 
 
/* Calculating the new energy */
  delta_energy=0;
  delta_energy+=k->xk* k->energy;
  delta_energy+=kp->xk* kp->energy;
  delta_energy+=km->xk* km->energy;
  delta_energy+=it->xk* it->energy;
  //Neigbours of k, it, km, kp don't change its energy.
 
  delta_energy-=oldenergy;
    if(vesicle->pswitch == 1){
        dvol = dvol + lm->volume + lp->volume;
        delta_energy-= vesicle->pressure*dvol;
    }
 
/* MONTE CARLO */
    if(delta_energy>=0){
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
        if(exp(-delta_energy)< drand48() )
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
        if(expf(-delta_energy)< (ts_float)drand48())
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
        if(expl(-delta_energy)< (ts_ldouble)drand48())
#endif
        {
            //not accepted, reverting changes
        //restore all backups
//        fprintf(stderr,"Restoring!!!\n");
 
        for(i=0;i<4;i++){
//            fprintf(stderr,"Restoring vtx neigh[%d] with neighbours %d\n",i, orig_vtx[i]->neigh_no );
            free(orig_vtx[i]->neigh);
            free(orig_vtx[i]->tristar);
            free(orig_vtx[i]->bond);
            free(orig_tria[i]->neigh);
            memcpy((void *)orig_vtx[i],(void *)bck_vtx[i],sizeof(ts_vertex));
            memcpy((void *)orig_tria[i],(void *)bck_tria[i],sizeof(ts_triangle));
//            fprintf(stderr,"Restored vtx neigh[%d] with neighbours %d\n",i, orig_vtx[i]->neigh_no );
            /* level 2 pointers are redirected*/
        }
        memcpy(bond,bck_bond,sizeof(ts_bond));
 
        for(i=0;i<4;i++){
            free(bck_vtx[i]);
            free(bck_tria[i]);
/*            fprintf(stderr,"Restoring vtx neigh[%d] with neighbours %d =",i, orig_vtx[i]->neigh_no );
            for(j=0;j<orig_vtx[i]->neigh_no;j++) fprintf(stderr," %d", orig_vtx[i]->neigh[j]->idx);
            fprintf(stderr,"\n"); */
        }
 
        free(bck_bond);
//        fprintf(stderr,"Restoration complete!!!\n");
 
        return TS_FAIL;
        }
    }
     /* IF BONDFLIP ACCEPTED, THEN RETURN SUCCESS! */
  //          fprintf(stderr,"SUCCESS!!!\n");
 
    // delete all backups
    for(i=0;i<4;i++){
    free(bck_vtx[i]->neigh);
    free(bck_vtx[i]->bond);
    free(bck_vtx[i]->tristar);
    free(bck_vtx[i]);
     free(bck_tria[i]->neigh);
        free(bck_tria[i]);
/*    fprintf(stderr,"Afret backup deletion vtx neigh[%d]=",i);
    for(j=0;j<orig_vtx[i]->neigh_no;j++) fprintf(stderr," %d", orig_vtx[i]->neigh[j]->idx);
    fprintf(stderr,"\n");
*/    
    }
    free(bck_bond);
 
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
ts_bool ts_flip_bond(ts_vertex *k,ts_vertex *it,ts_vertex *km, ts_vertex *kp,
ts_bond *bond, ts_triangle *lm, ts_triangle *lp, ts_triangle *lm2, ts_triangle *lp1){
 
    ts_uint i; //lmidx, lpidx;
if(k==NULL || it==NULL || km==NULL || kp==NULL){
    fatal("ts_flip_bond: You called me with invalid pointers to vertices",999);
}
// 2. step. We change the triangle vertices... (actual bond flip)
    for(i=0;i<3;i++) if(lm->vertex[i]== it) lm->vertex[i]= kp;
    for(i=0;i<3;i++) if(lp->vertex[i]== k) lp->vertex[i]= km;
//fprintf(stderr,"2. step: actual bondflip made\n");
// 2a. step. If any changes in triangle calculations must be done, do it here!
//   * normals are recalculated here
    triangle_normal_vector(lp);
    triangle_normal_vector(lm);
//fprintf(stderr,"2a. step: triangle normals recalculated\n");
// 3. step. Correct neighbours in vertex_list
 
 
            vtx_remove_neighbour(k,it);
//            vtx_remove_neighbour(it,k);
//fprintf(stderr,"3. step (PROGRESS): removed k and it neighbours\n");
    
            //Tukaj pa nastopi tezava... Kam dodati soseda?
            vtx_insert_neighbour(km,kp,k);
            vtx_insert_neighbour(kp,km,it);
//            vertex_add_neighbour(km,kp); //pazi na vrstni red.
//            vertex_add_neighbour(kp,km);
//fprintf(stderr,"3. step: vertex neighbours corrected\n");
 
// 3a. step. If any changes to ts_vertex, do it here!
//   bond_length calculatons not required for it is done in energy.c
 
// 4. step. Correct bond_list (don't know why I still have it!)
            bond->vtx1=km;
            bond->vtx2=kp;
//fprintf(stderr,"4. step: bondlist corrected\n");
 
 
// 5. step. Correct neighbouring triangles 
   
    triangle_remove_neighbour(lp,lp1);
  //  fprintf(stderr,".\n");
    triangle_remove_neighbour(lp1,lp);
  //  fprintf(stderr,".\n");
    triangle_remove_neighbour(lm,lm2);
  //  fprintf(stderr,".\n");
    triangle_remove_neighbour(lm2,lm);
   
    triangle_add_neighbour(lm,lp1);    
    triangle_add_neighbour(lp1,lm);
    triangle_add_neighbour(lp,lm2);  //Vrstni red?!
    triangle_add_neighbour(lm2,lp);
 
//fprintf(stderr,"5. step: triangle neigbours corrected\n");
 
 
// 6. step. Correct tristar for vertices km, kp, k and it
            vertex_add_tristar(km,lp);  // Preveri vrstni red!
            vertex_add_tristar(kp,lm);
            vtx_remove_tristar(it,lm);
            vtx_remove_tristar(k,lp);
//fprintf(stderr,"6. step: tristar corrected\n");
  energy_vertex(k);
  energy_vertex(kp);
  energy_vertex(km);
  energy_vertex(it);
// END modifications to data structure!
    return TS_SUCCESS;
}