Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2016-02-15 82fa4172eadaff3e8c5f456ceefe947fb2fcec4c
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
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
#include<stdlib.h>
#include<math.h>
#include<stdio.h>
#include "general.h"
#include "vertex.h"
#include "bond.h"
#include "vesicle.h"
#include "vertex.h"
#include "triangle.h"
#include "initial_distribution.h"
#include "energy.h"
#include "poly.h"
#include "io.h"
#include "sh.h"
#include "shcomplex.h"
 
ts_vesicle *initial_distribution_dipyramid(ts_uint nshell, ts_uint ncmax1, ts_uint ncmax2, ts_uint ncmax3, ts_double stepsize){
    ts_fprintf(stdout,"Starting initial_distribution on vesicle with %u shells!...\n",nshell);
    ts_bool retval;
    ts_uint no_vertices=5*nshell*nshell+2;    
    ts_vesicle *vesicle=init_vesicle(no_vertices,ncmax1,ncmax2,ncmax3,stepsize);
    vesicle->nshell=nshell;
    //retval = vtx_set_global_values(vesicle);
    retval = pentagonal_dipyramid_vertex_distribution(vesicle->vlist);
    retval = init_vertex_neighbours(vesicle->vlist);
    vesicle->vlist = init_sort_neighbours(vesicle->blist,vesicle->vlist);
   // retval = init_vesicle_bonds(vesicle); // bonds are created in sort_neigh
    retval = init_triangles(vesicle);
    retval = init_triangle_neighbours(vesicle);
    retval = init_common_vertex_triangle_neighbours(vesicle);
    retval = init_normal_vectors(vesicle->tlist);
    retval = mean_curvature_and_energy(vesicle);
    ts_fprintf(stdout,"initial_distribution finished!\n");
    if(retval);
    return vesicle;
 
 
 
ts_vesicle *create_vesicle_from_tape(ts_tape *tape){
    ts_vesicle *vesicle;
    ts_vertex *vtx;
 
    vesicle=initial_distribution_dipyramid(tape->nshell,tape->ncxmax,tape->ncymax,tape->nczmax,tape->stepsize);
    vesicle->tape=tape;
    // Nucleus:
    vesicle->R_nucleus=tape->R_nucleus*tape->R_nucleus;
 
    vesicle->clist->dmin_interspecies = tape->dmin_interspecies*tape->dmin_interspecies;
 
    //Initialize grafted polymers (brush):
    vesicle->poly_list=init_poly_list(tape->npoly,tape->nmono, vesicle->vlist, vesicle);
    vesicle->spring_constant=tape->kspring;
    poly_assign_spring_const(vesicle);
 
    //Initialize filaments (polymers inside the vesicle):
    vesicle->filament_list=init_poly_list(tape->nfil,tape->nfono, NULL, vesicle);
    poly_assign_filament_xi(vesicle,tape);
 
    ts_uint i,j;
    for(i=0;i<vesicle->filament_list->n;i++){
        for(j=0;j<vesicle->filament_list->poly[i]->blist->n;j++){
            bond_vector(vesicle->filament_list->poly[i]->blist->bond[j]);
            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));
        }
    }
 
    for(i=0;i<vesicle->filament_list->n;i++){
        for(j=0;j<vesicle->filament_list->poly[i]->vlist->n;j++){
            vtx = vesicle->filament_list->poly[i]->vlist->vtx[j];
            if(vtx->bond_no == 2){
            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;
            }
        }
    }
 
    for(i=0;i<vesicle->filament_list->n;i++){
        vertex_list_assign_id(vesicle->filament_list->poly[i]->vlist,TS_ID_FILAMENT);
    }
 
//    vesicle->spring_constant=tape->kspring;
//    poly_assign_spring_const(vesicle);
 
    
    vesicle->nshell=tape->nshell;
    vesicle->dmax=tape->dmax*tape->dmax; /* dmax^2 in the vesicle dmax variable */
    vesicle->bending_rigidity=tape->xk0;
    vtx_set_global_values(vesicle); /* make xk0 default value for every vertex */ 
    ts_fprintf(stdout, "Tape setting: xk0=%e\n",tape->xk0);
    vesicle->stepsize=tape->stepsize;
    vesicle->clist->ncmax[0]=tape->ncxmax;
    vesicle->clist->ncmax[1]=tape->ncymax;
    vesicle->clist->ncmax[2]=tape->nczmax;
    vesicle->clist->max_occupancy=8; /* hard coded max occupancy? */
 
    vesicle->pressure= tape->pressure;
    vesicle->pswitch=tape->pswitch;
    if(tape->shc>0){
        vesicle->sphHarmonics=complex_sph_init(vesicle->vlist,tape->shc);
    }
    else {
        vesicle->sphHarmonics=NULL;
    }
    return vesicle;
 
}
 
 
 
 
 
ts_bool pentagonal_dipyramid_vertex_distribution(ts_vertex_list *vlist){
    /* Some often used relations */
    const ts_double s1= sin(2.0*M_PI/5.0);
    const ts_double s2= sin(4.0*M_PI/5.0);
    const ts_double c1= cos(2.0*M_PI/5.0);
    const ts_double c2= cos(4.0*M_PI/5.0);
 
    /* Calculates projection lenght of an edge bond to pentagram plane */
    const ts_double xl0=A0/(2.0*sin(M_PI/5.0));
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
    const ts_double z0=sqrt(pow(A0,2)-pow(xl0,2));
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
    const ts_double z0=sqrtf(powf(A0,2)-powf(xl0,2));
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
    const ts_double z0=sqrtl(powl(A0,2)-powl(xl0,2));
#endif
//    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 */
 
/*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!*/
    ts_vertex **vtx=vlist->vtx -1 ; 
 
 
    ts_uint nshell=(ts_uint)( sqrt((ts_double)(vlist->n-2)/5));
//    printf("nshell=%u\n",nshell);
    ts_uint i,n0; // some for loop prereq
    ts_int j,k;
    ts_double dx,dy; // end loop prereq
 
    /* topmost vertex */
    vtx[1]->x=0.0;
    vtx[1]->y=0.0;
    vtx[1]->z=z0*(ts_double)nshell;
    
    /* starting from to in circular order on pentagrams */    
    for(i=1;i<=nshell;i++){
        n0=2+5*i*(i-1)/2; //-1 would be for the reason that C index starts from 0 
        vtx[n0]->x=0.0;
        vtx[n0]->y=(ts_double)i*xl0;
        vtx[n0+i]->x=vtx[n0]->y*s1;
        vtx[n0+i]->y=vtx[n0]->y*c1;
        vtx[n0+2*i]->x=vtx[n0]->y*s2;
        vtx[n0+2*i]->y=vtx[n0]->y*c2;
        vtx[n0+3*i]->x=-vtx[n0+2*i]->x;
        vtx[n0+3*i]->y=vtx[n0+2*i]->y;
        vtx[n0+4*i]->x=-vtx[n0+i]->x;
        vtx[n0+4*i]->y=vtx[n0+i]->y;
    }
 
    /* vertexes on the faces of the dipyramid */
    for(i=1;i<=nshell;i++){
        n0=2+5*i*(i-1)/2; // -1 would be because of C!
        for(j=1;j<=i-1;j++){
            dx=(vtx[n0]->x-vtx[n0+4*i]->x)/(ts_double)i;
            dy=(vtx[n0]->y-vtx[n0+4*i]->y)/(ts_double)i;
            vtx[n0+4*i+j]->x=(ts_double)j*dx+vtx[n0+4*i]->x;
            vtx[n0+4*i+j]->y=(ts_double)j*dy+vtx[n0+4*i]->y;
        }
        for(k=0;k<=3;k++){ // I would be worried about zero starting of for
            dx=(vtx[n0+(k+1)*i]->x - vtx[n0+k*i]->x)/(ts_double) i;
            dy=(vtx[n0+(k+1)*i]->y - vtx[n0+k*i]->y)/(ts_double) i;
            for(j=1; j<=i-1;j++){
                vtx[n0+k*i+j]->x= (ts_double)j*dx+vtx[n0+k*i]->x;
                vtx[n0+k*i+j]->y= (ts_double)j*dy+vtx[n0+k*i]->y;
            } 
        } 
    }
 
    for(i=1;i<=nshell;i++){
        n0= 2+ 5*i*(i-1)/2;
        for(j=0;j<=5*i-1;j++){
        vtx[n0+j]->z= z0*(ts_double)(nshell-i);   // I would be worried about zero starting of for
        }
    }
 
/* for botom part of dipyramide we calculate the positions of vertices */
    for(i=2+5*nshell*(nshell+1)/2;i<=vlist->n;i++){
        vtx[i]->x=vtx[vlist->n - i +1]->x;
        vtx[i]->y=vtx[vlist->n - i +1]->y;
        vtx[i]->z=-vtx[vlist->n - i +1]->z;
    }
 
    for(i=1;i<=vlist->n;i++){
        for(j=1;j<=vlist->n;j++){
            if(i!=j && vtx_distance_sq(vtx[i],vtx[j])<0.001){
                printf("Vertices %u and %u are the same!\n",i,j);
            }
        }
    }
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
 
ts_bool init_vertex_neighbours(ts_vertex_list *vlist){
    ts_vertex **vtx=vlist->vtx -1; // take a look at dipyramid function for comment.
    const ts_double eps=0.001; //TODO: find out if you can use EPS from math.h
    ts_uint i,j;
    ts_double dist2; // Square of distance of neighbours
    /*this is not required if we zero all data in vertex structure at initialization */
    /*if we force zeroing at initialization this for loop can safely be deleted */
    //for(i=1;i<=vlist->n;i++){
    //    vtx[i].neigh_no=0;
    //}
    for(i=1;i<=vlist->n;i++){
        for(j=1;j<=vlist->n;j++){
            dist2=vtx_distance_sq(vtx[i],vtx[j]);
            if( (dist2>eps) && (dist2<(A0*A0+eps))){ 
    //if it is close enough, but not too much close (solves problem of comparing when i==j)
                vtx_add_neighbour(vtx[i],vtx[j]);
            }
        }
    //        printf ("vertex %u ima %u sosedov!\n",i,vtx[i]->data->neigh_no);
    }
 
    return TS_SUCCESS;
}
 
// TODO: with new datastructure can be rewritten. Partially it is done, but it is complicated.
ts_vertex_list *init_sort_neighbours(ts_bond_list *blist,ts_vertex_list *vlist){
    ts_vertex **vtx=vlist->vtx -1; // take a look at dipyramid function for comment.
    ts_uint i,l,j,jj,jjj,k=0;   
    ts_double eps=0.001; // Take a look if EPS from math.h can be used
 
/*lets initialize memory for temporary vertex_list. Should we write a function instead */
    ts_vertex_list *tvlist=vertex_list_copy(vlist);
    ts_vertex **tvtx=tvlist->vtx -1;  /* again to compensate for 0-indexing */
 
    ts_double dist2; // Square of distance of neighbours
    ts_double direct; // Something, dont know what, but could be normal of some kind
    for(i=1;i<=vlist->n;i++){
        k++; // WHY i IS NOT GOOD??
           vtx_add_cneighbour(blist,tvtx[k], tvtx[vtx[i]->neigh[0]->idx+1]); //always add 1st
           jjj=1;
           jj=1;
           for(l=2;l<=vtx[i]->neigh_no;l++){
               for(j=2;j<=vtx[i]->neigh_no;j++){
                   dist2=vtx_distance_sq(vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
                   direct=vtx_direct(vtx[i],vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
// TODO: check if fabs can be used with all floating point types!!
                   if( (fabs(dist2-A0*A0)<=eps) && (direct>0.0) && (j!=jjj) ){
                       vtx_add_cneighbour(blist,tvtx[k],tvtx[vtx[i]->neigh[j-1]->idx+1]);
                       jjj=jj;
                       jj=j;
                       break;
                   }
               }
           }    
    }
/* We use the temporary vertex for our main vertices and we abandon main
 * vertices, because their neighbours are not correctly ordered */
   // tvtx=vlist->vtx;
   // vlist->vtx=tvtx;
   // tvlist->vtx=vtx;
    vtx_list_free(vlist);
/* Let's make a check if the number of bonds is correct */
    if((blist->n)!=3*(tvlist->n-2)){
        ts_fprintf(stderr,"Number of bonds is %u should be %u!\n", blist->n, 3*(tvlist->n-2));
        fatal("Number of bonds is not 3*(no_vertex-2).",4);
    }
 
    return tvlist;
}
 
 
ts_bool init_vesicle_bonds(ts_vesicle *vesicle){
    ts_vertex_list *vlist=vesicle->vlist;
    ts_bond_list *blist=vesicle->blist;
    ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx - 1; // Because of 0 indexing
/* lets make correct clockwise ordering of in nearest neighbour list */
    ts_uint i,j,k;
    for(i=1;i<=vlist->n;i++){
        for(j=i+1;j<=vlist->n;j++){
            for(k=0;k<vtx[i]->neigh_no;k++){ // has changed 0 to < instead of 1 and <=
                if(vtx[i]->neigh[k]==vtx[j]){  //if addresses matches it is the same
                    bond_add(blist,vtx[i],vtx[j]);
                    break;
                }
            }
        }
    } 
/* Let's make a check if the number of bonds is correct */
    if((blist->n)!=3*(vlist->n-2)){
        ts_fprintf(stderr,"Number of bonds is %u should be %u!\n", blist->n, 3*(vlist->n-2));
        fatal("Number of bonds is not 3*(no_vertex-2).",4);
    }
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
 
ts_bool init_triangles(ts_vesicle *vesicle){
    ts_uint i,j,jj,k;
    ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx -1; // difference between 0 indexing and 1 indexing
    ts_triangle_list *tlist=vesicle->tlist;
    ts_double dist, direct;
    ts_double eps=0.001; // can we use EPS from math.h?
    k=0;
    for(i=1;i<=vesicle->vlist->n;i++){
        for(j=1;j<=vtx[i]->neigh_no;j++){
            for(jj=1;jj<=vtx[i]->neigh_no;jj++){
        //        ts_fprintf(stderr,"%u: (%u,%u) neigh_no=%u ",i,j,jj,vtx[i].neigh_no);
        //      ts_fprintf(stderr,"%e, %e",vtx[i].neigh[j-1]->x,vtx[i].neigh[jj-1]->x);
                dist=vtx_distance_sq(vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
                direct=vtx_direct(vtx[i],vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);                
// TODO: same as above                
                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){
                    triangle_add(tlist,vtx[i],vtx[i]->neigh[j-1],vtx[i]->neigh[jj-1]);
                }    
            }    
        }
    }
/* We check if all triangles have 3 vertices and if the number of triangles
 * matches the theoretical value.
 */
    for(i=0;i<tlist->n;i++){
        k=0;
        for(j=0;j<3;j++){
            if(tlist->tria[i]->vertex[j]!=NULL)
            k++;
        }
            if(k!=3){
                fatal("Some triangles have less than 3 vertices..",4);
            }   
    } 
    if(tlist->n!=2*(vesicle->vlist->n -2)){
        ts_fprintf(stderr,"The number of triangles is %u but should be %u!\n",tlist->n,2*(vesicle->vlist->n -2));
        fatal("The number of triangles doesn't match 2*(no_vertex -2).",4);
    }
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
 
ts_bool init_triangle_neighbours(ts_vesicle *vesicle){
    ts_uint i,j,nobo;
    ts_vertex *i1,*i2,*i3,*j1,*j2,*j3;
//    ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx -1; // difference between 0 indexing and 1 indexing
    ts_triangle_list *tlist=vesicle->tlist;
    ts_triangle **tria=tlist->tria -1;
    nobo=0;
    for(i=1;i<=tlist->n;i++){
        i1=tria[i]->vertex[0]; 
        i2=tria[i]->vertex[1]; 
        i3=tria[i]->vertex[2]; 
        for(j=1;j<=tlist->n;j++){
            if(j==i) continue;
            j1=tria[j]->vertex[0]; 
            j2=tria[j]->vertex[1]; 
            j3=tria[j]->vertex[2]; 
            if((i1==j1 && i3==j2) || (i1==j2 && i3==j3) || (i1==j3 && i3==j1)){
                    triangle_add_neighbour(tria[i],tria[j]);
                    nobo++;
            }
        }
    }
    for(i=1;i<=tlist->n;i++){
        i1=tria[i]->vertex[0]; 
        i2=tria[i]->vertex[1]; 
        i3=tria[i]->vertex[2]; 
        for(j=1;j<=tlist->n;j++){
            if(j==i) continue;
            j1=tria[j]->vertex[0]; 
            j2=tria[j]->vertex[1]; 
            j3=tria[j]->vertex[2]; 
            if((i1==j1 && i2==j3) || (i1==j3 && i2==j2) || (i1==j2 && i2==j1)){
                triangle_add_neighbour(tria[i],tria[j]);
                nobo++;
            }
        }
    }
    for(i=1;i<=tlist->n;i++){
        i1=tria[i]->vertex[0]; 
        i2=tria[i]->vertex[1]; 
        i3=tria[i]->vertex[2]; 
        for(j=1;j<=tlist->n;j++){
            if(j==i) continue;
            j1=tria[j]->vertex[0]; 
            j2=tria[j]->vertex[1]; 
            j3=tria[j]->vertex[2]; 
            if((i2==j1 && i3==j3) || (i2==j3 && i3==j2) || (i2==j2 && i3==j1)){
                triangle_add_neighbour(tria[i],tria[j]);
                nobo++;
            }
        }
    }
    if(nobo != vesicle->blist->n*2) {
            ts_fprintf(stderr,"Number of triangles= %u, number of bonds= %u\n",nobo/2, vesicle->blist->n);
            fatal("Number of triangle neighbour pairs differs from double the number of bonds!",4);
    }
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
ts_bool init_common_vertex_triangle_neighbours(ts_vesicle *vesicle){
    ts_uint i,j,jp,k;
    ts_vertex *k1,*k2,*k3,*k4,*k5;
    ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx -1; // difference between 0 indexing and 1 indexing
    ts_triangle_list *tlist=vesicle->tlist;
    ts_triangle **tria=tlist->tria -1;
 
    for(i=1;i<=vesicle->vlist->n;i++){
        for(j=1;j<=vtx[i]->neigh_no;j++){
            k1=vtx[i]->neigh[j-1];
            jp=j+1;
            if(j == vtx[i]->neigh_no) jp=1;
            k2=vtx[i]->neigh[jp-1];
            for(k=1;k<=tlist->n;k++){        // VERY NON-OPTIMAL!!! too many loops (vlist.n * vtx.neigh * tlist.n )!
                k3=tria[k]->vertex[0];
                k4=tria[k]->vertex[1];
                k5=tria[k]->vertex[2];
//                ts_fprintf(stderr,"%u %u: k=(%u %u %u)\n",k1,k2,k3,k4,k5);
                if((vtx[i]==k3 && k1==k4 && k2==k5) ||
                (vtx[i]==k4 && k1==k5 && k2==k3) ||
                (vtx[i]==k5 && k1==k3 && k2==k4)){
 
//TODO: probably something wrong with neighbour distribution.
//                if(vtx[i]==k3 || vtx[i]==k4 || vtx[i]==k5){
    //                    if(i==6) ts_fprintf(stdout, "Vtx[%u] > Added to tristar!\n",i);
                    vertex_add_tristar(vtx[i],tria[k]);
                }
            }
        }
/*        ts_fprintf(stderr,"TRISTAR for %u (%u):",i-1,vtx[i].tristar_no);
        for(j=0;j<vtx[i].tristar_no;j++){
            ts_fprintf(stderr," %u,",vtx[i].tristar[j]->idx);
        }
        ts_fprintf(stderr,"\n"); */
    }
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
ts_bool init_normal_vectors(ts_triangle_list *tlist){
    /* Normals point INSIDE vesicle */
    ts_uint k;
    ts_triangle **tria=tlist->tria -1; //for 0 indexing
    for(k=1;k<=tlist->n;k++){
        triangle_normal_vector(tria[k]);    
    }
    return TS_SUCCESS;
}