Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2016-03-16 9154b3cc571c2461010573f84b91fcf84830cf5a
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
/* vim: set ts=4 sts=4 sw=4 noet : */
#include<math.h>
#include<stdlib.h>
#include "general.h"
#include "sh.h"
#include "io.h"
#include <string.h>
 
 
ts_spharm *sph_init(ts_vertex_list *vlist, ts_uint l){
    ts_uint j,i;
    ts_spharm *sph=(ts_spharm *)malloc(sizeof(ts_spharm));
 
    sph->N=0;
    /* lets initialize Ylm for each vertex. */
    sph->Ylmi=(ts_double ***)calloc(l,sizeof(ts_double **));
    for(i=0;i<l;i++){
            sph->Ylmi[i]=(ts_double **)calloc(2*i+1,sizeof(ts_double *));
            for(j=0;j<(2*i+1);j++){
                sph->Ylmi[i][j]=(ts_double *)calloc(vlist->n,sizeof(ts_double));
            }
    }
        
    /* lets initialize ulm */
    sph->ulm=(ts_double **)calloc(l,sizeof(ts_double *));
    for(j=0;j<l;j++){
        sph->ulm[j]=(ts_double *)calloc(2*j+1,sizeof(ts_double));
    }
 
    /* lets initialize sum of Ulm2 */
    sph->sumUlm2=(ts_double **)calloc(l,sizeof(ts_double *));
    for(j=0;j<l;j++){
        sph->sumUlm2[j]=(ts_double *)calloc(2*j+1,sizeof(ts_double));
    }
 
    /* lets initialize co */
//NOTE: C is has zero based indexing. Code is imported from fortran and to comply with original indexes we actually generate one index more. Also second dimension is 2*j+2 instead of 2*j+2. elements starting with 0 are useles and should be ignored!
    sph->co=(ts_double **)calloc(l+1,sizeof(ts_double *));
    for(j=0;j<=l;j++){
        sph->co[j]=(ts_double *)calloc(2*j+2,sizeof(ts_double));
    }
 
    sph->l=l;   
 
    /* Calculate coefficients that will remain constant during all the simulation */ 
   precomputeShCoeff(sph);
    
    return sph;
}
 
 
ts_bool sph_free(ts_spharm *sph){
    int i,j;
    if(sph==NULL) return TS_FAIL;
    for(i=0;i<sph->l;i++){
        if(sph->ulm[i]!=NULL) free(sph->ulm[i]);
        if(sph->sumUlm2[i]!=NULL) free(sph->sumUlm2[i]);
        if(sph->co[i]!=NULL) free(sph->co[i]);
    }
        if(sph->co[sph->l]!=NULL) free(sph->co[sph->l]);
    if(sph->co != NULL) free(sph->co);
    if(sph->ulm !=NULL) free(sph->ulm);
 
        if(sph->Ylmi!=NULL) {
            for(i=0;i<sph->l;i++){
                if(sph->Ylmi[i]!=NULL){
                    for(j=0;j<i*2+1;j++){
                        if(sph->Ylmi[i][j]!=NULL) free (sph->Ylmi[i][j]);
                    }
                    free(sph->Ylmi[i]);
                }
            }
            free(sph->Ylmi);
        }
 
    free(sph);
    return TS_SUCCESS;
}
 
/* Gives you legendre polynomials. Taken from NR, p. 254 */
ts_double plgndr(ts_int l, ts_int m, ts_double x){
    ts_double fact, pll, pmm, pmmp1, somx2;
    ts_int i,ll;
 
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
    if(m<0 || m>l || fabs(x)>1.0)
        fatal("Bad arguments in routine plgndr",1);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
    if(m<0 || m>l || fabsf(x)>1.0)
        fatal("Bad arguments in routine plgndr",1);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
    if(m<0 || m>l || fabsl(x)>1.0)
        fatal("Bad arguments in routine plgndr",1);
#endif
    pmm=1.0;
    if (m>0) {
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
        somx2=sqrt((1.0-x)*(1.0+x));
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
        somx2=sqrtf((1.0-x)*(1.0+x));
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
        somx2=sqrtl((1.0-x)*(1.0+x));
#endif
        fact=1.0;
        for (i=1; i<=m;i++){
            pmm *= -fact*somx2;
            fact +=2.0;
        }
    }
 
    if (l == m) return pmm;
    else {
        pmmp1=x*(2*m+1)*pmm;
        if(l==(m+1)) return(pmmp1);
        else {
            pll=0; /* so it can not be uninitialized */
            for(ll=m+2;ll<=l;ll++){
                pll=(x*(2*ll-1)*pmmp1-(ll+m-1)*pmm)/(ll-m);
                pmm=pmmp1;
                pmmp1=pll;
            }
            return(pll);
        }
    }
}
 
 
/** @brief: Precomputes coefficients that are required for spherical harmonics computations.
 
*/
ts_bool precomputeShCoeff(ts_spharm *sph){
    ts_int i,j,al,am;
    ts_double **co=sph->co;
    for(i=1;i<=sph->l;i++){
        al=i;
        sph->co[i][i+1]=sqrt((2.0*al+1.0)/2.0/M_PI);
        for(j=1;j<=i-1;j++){
            am=j;
            sph->co[i][i+1+j]=co[i][i+j]*sqrt(1.0/(al-am+1.0)/(al+am));
            sph->co[i][i+1-j]=co[i][i+1+j];
        }
        co[i][2*i+1]=co[i][2*i]*sqrt(1.0/(2.0*al));
        co[i][1]=co[i][2*i+1];
        co[i][i+1]=sqrt((2.0*al+1.0)/4.0/M_PI);
    }
    return TS_SUCCESS;
 
}
 
 
/** @brief: Computes Y(l,m,theta,fi) 
 *
 * Function calculates Y^l_m for vertex with given (\theta, \fi) coordinates in
 * spherical coordinate system.
 * @param l is an ts_int argument.
 * @param m is an ts_int argument.
 * @param theta is ts_double argument.
 * @param fi is a ts_double argument.
 *
 * (Miha's definition that is different from common definition for  factor srqt(1/(2*pi)) */
ts_double shY(ts_int l,ts_int m,ts_double theta,ts_double fi){
    ts_double fac1, fac2, K;
    int i;
 
    if(l<0 || m>l || m<-l)
        fatal("Error using shY function!",1);
 
    fac1=1.0;
    for(i=1; i<=l-abs(m);i++){
        fac1 *= i;
    }
    fac2=1.0;
    for(i=1; i<=l+abs(m);i++){
        fac2 *= i;
    }
 
    if(m==0){
        K=sqrt(1.0/(2.0*M_PI));
    }
    else if (m>0) {
        K=sqrt(1.0/(M_PI))*cos(m*fi);
    } 
    else {
        //K=pow(-1.0,abs(m))*sqrt(1.0/(2.0*M_PI))*cos(m*fi);
        if(abs(m)%2==0)
        K=sqrt(1.0/(M_PI))*cos(m*fi);
        else
        K=-sqrt(1.0/(M_PI))*cos(m*fi);
    }
    
    return K*sqrt((2.0*l+1.0)/2.0*(ts_double)(fac1/fac2))*plgndr(l,abs(m),cos(theta));    
}
 
 
/* Function transforms coordinates from cartesian to spherical coordinates
 * (r,phi, theta). */
ts_bool *cart2sph(ts_coord *coord, ts_double x, ts_double y, ts_double z){
    coord->coord_type=TS_COORD_SPHERICAL;
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
    coord->e1=sqrt(x*x+y*y+z*z);
    if(z==0) coord->e3=M_PI/2.0;
    else coord->e3=atan2(sqrt(x*x+y*y),z);
    coord->e2=atan2(y,x);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
    coord->e1=sqrtf(x*x+y*y+z*z);
    if(z==0) coord->e3=M_PI/2.0;
    else coord->e3=atanf(sqrtf(x*x+y*y)/z);
    coord->e2=atan2f(y,x);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
    coord->e1=sqrtl(x*x+y*y+z*z);
    if(z==0) coord->e3=M_PI/2.0;
    else coord->e3=atanl(sqrtl(x*x+y*y)/z);
    coord->e2=atan2l(y,x);
#endif
 
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
ts_bool sph2cart(ts_coord *coord){
    coord->coord_type=TS_COORD_CARTESIAN;
    ts_double x,y,z;
 
    x=coord->e1*cos(coord->e2)*sin(coord->e3);
    y=coord->e1*sin(coord->e2)*sin(coord->e3);
    z=coord->e1*cos(coord->e3);
 
    coord->e1=x;
    coord->e2=y;
    coord->e3=z;
 
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
/* Function returns radius of the sphere with the same volume as vesicle (r0) */
ts_double getR0(ts_vesicle *vesicle){
    ts_double r0;
 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
   r0=pow(vesicle->volume*3.0/4.0/M_PI,1.0/3.0);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
   r0=powf(vesicle->volume*3.0/4.0/M_PI,1.0/3.0);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
   r0=powl(vesicle->volume*3.0/4.0/M_PI,1.0/3.0);
#endif
    return r0;
}
 
 
ts_bool preparationSh(ts_vesicle *vesicle, ts_double r0){
//TODO: before calling or during the call calculate area of each triangle! Can
//be also done after vertexmove and bondflip //
//DONE: in energy calculation! //
    ts_uint i,j;
    ts_vertex **vtx=vesicle->vlist->vtx;
    ts_vertex *cvtx;
    ts_triangle *ctri;
    ts_double centroid[3];
    ts_double r;
    for (i=0;  i<vesicle->vlist->n; i++){
        cvtx=vtx[i];
        //cvtx->projArea=4.0*M_PI/1447.0*(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z)/r0/r0;
        cvtx->projArea=0.0;
 
        /* go over all triangles that have a common vertex i */
        for(j=0; j<cvtx->tristar_no; j++){
            ctri=cvtx->tristar[j];
            centroid[0]=(ctri->vertex[0]->x + ctri->vertex[1]->x + ctri->vertex[2]->x)/3.0;
            centroid[1]=(ctri->vertex[0]->y + ctri->vertex[1]->y + ctri->vertex[2]->y)/3.0;
            centroid[2]=(ctri->vertex[0]->z + ctri->vertex[1]->z + ctri->vertex[2]->z)/3.0;
        /* calculating projArea+= area(triangle)*cos(theta) */
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
            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]);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
            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]);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
            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]);
#endif
        }
 
    cvtx->projArea=cvtx->projArea/3.0;
        //we dont store spherical coordinates of vertex, so we have to calculate
        //r(i) at this point.
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
    r=sqrt(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
    r=sqrtf(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
    r=sqrtl(cvtx->x*cvtx->x+cvtx->y*cvtx->y+cvtx->z*cvtx->z);
#endif
    cvtx->relR=(r-r0)/r0;
    cvtx->solAngle=cvtx->projArea/r/r;
    }
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
 
ts_bool calculateYlmi(ts_vesicle *vesicle){
    ts_int i,j,k;
    ts_spharm *sph=vesicle->sphHarmonics;
    ts_coord *coord=(ts_coord *)malloc(sizeof(ts_coord));
    ts_double fi, theta;
    ts_int m;
    ts_vertex *cvtx;
    for(k=0;k<vesicle->vlist->n;k++){
        cvtx=vesicle->vlist->vtx[k];
        sph->Ylmi[0][0][k]=sqrt(1.0/4.0/M_PI);
        cart2sph(coord,cvtx->x, cvtx->y, cvtx->z);
        fi=coord->e2;
        theta=coord->e3; 
        for(i=1; i<sph->l; i++){
            for(j=0;j<i;j++){
            m=j+1;
//Nastudiraj!!!!!
                sph->Ylmi[i][j][k]=sph->co[i][m]*cos((m-i-1)*fi)*pow(-1,m-i-1)*plgndr(i,abs(m-i-1),cos(theta));
        if(i==2 && j==0){
    /*    fprintf(stderr," **** vtx %d ****\n", k+1);
        fprintf(stderr,"m-i-1 =%d\n",m-i-1);
        fprintf(stderr,"fi =%e\n",fi);
        fprintf(stderr,"(m-i-1)*fi =%e\n",((ts_double)(m-i-1))*fi);
        fprintf(stderr,"-2*fi =%e\n",-2*fi);
        fprintf(stderr,"m =%d\n",m);
    
        fprintf(stderr," cos(m-i-1)=%e\n",cos((m-i-1)*fi));
        fprintf(stderr," cos(-2*fi)=%e\n",cos(-2*fi));
        fprintf(stderr," sph->co[i][m]=%e\n",sph->co[i][m]);
        fprintf(stderr," plgndr(i,abs(m-i-1),cos(theta))=%e\n",plgndr(i,abs(m-i-1),cos(theta)));
*/
        }
            }
//Nastudiraj!!!!!
        j=i;
        m=j+1;
                sph->Ylmi[i][j][k]=sph->co[i][m]*plgndr(i,0,cos(theta));
            for(j=i+1;j<2*i+1;j++){
            m=j+1;
//Nastudiraj!!!!!
                sph->Ylmi[i][j][k]=sph->co[i][m]*sin((m-i-1)*fi)*plgndr(i,m-i-1,cos(theta));
            }
        }
 
    }
    free(coord);
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
 
ts_bool calculateUlm(ts_vesicle *vesicle){
    ts_uint i,j,k;
    ts_vertex *cvtx;
    for(i=0;i<vesicle->sphHarmonics->l;i++){
        for(j=0;j<2*i+1;j++) vesicle->sphHarmonics->ulm[i][j]=0.0;
    }
 
//TODO: call calculateYlmi !!!
 
 
    for(k=0;k<vesicle->vlist->n; k++){
        cvtx=vesicle->vlist->vtx[k];
        for(i=0;i<vesicle->sphHarmonics->l;i++){
            for(j=0;j<2*i+1;j++){
                vesicle->sphHarmonics->ulm[i][j]+= cvtx->solAngle*cvtx->relR*vesicle->sphHarmonics->Ylmi[i][j][k];
            }
 
        }
    }
 
    return TS_SUCCESS;
}
 
 
 
 
 
ts_bool storeUlm2(ts_vesicle *vesicle){
 
ts_spharm *sph=vesicle->sphHarmonics;
ts_int i,j;
for(i=0;i<sph->l;i++){
    for(j=0;j<2*i+1;j++){
    /* DEBUG fprintf(stderr,"sph->sumUlm2[%d][%d]=%e\n",i,j,sph->ulm[i][j]* sph->ulm[i][j]); */
        sph->sumUlm2[i][j]+=sph->ulm[i][j]* sph->ulm[i][j];
    }
}
    sph->N++;
return TS_SUCCESS;
}
 
 
ts_bool saveAvgUlm2(ts_vesicle *vesicle){
 
    FILE *fh;
    char filename[10000];
    strcpy(filename, command_line_args.path);
    strcat(filename, "sph2out.dat");
    fh=fopen(filename, "w");
    if(fh==NULL){
        err("Cannot open file %s for writing");
        return TS_FAIL;
    }
 
    ts_spharm *sph=vesicle->sphHarmonics;
    ts_int i,j;
    fprintf(fh,"l,\tm,\tulm^2avg\n");
    for(i=0;i<sph->l;i++){
            for(j=0;j<2*i+1;j++){
        fprintf(fh,"%d,\t%d,\t%e\n", i, j-i, sph->sumUlm2[i][j]/(ts_double)sph->N);
 
            }
    fprintf(fh,"\n");
    }
    fclose(fh);
    return TS_SUCCESS;
}