Trisurf Monte Carlo simulator
blame | history | patch | commit | commitdiff | ignore whitespace
Samo Penic
2021-04-19 17fe35ccc428e18dd226e07d5517c4816ef6be44 
 src/energy.c


@@ -3,8 +3,22 @@


#include "general.h"


#include "energy.h"


#include "vertex.h"


#include "bond.h"


#include<math.h>


#include<stdio.h>


#include <gsl/gsl_vector_complex.h>


#include <gsl/gsl_matrix.h>


#include <gsl/gsl_eigen.h>








int cmpfunc(const void *x, const void *y)


{


   double diff=   fabs(*(double*)x) - fabs(*(double*)y);


   if(diff<0) return 1;


   else return -1;


}








/** @brief Wrapper that calculates energy of every vertex in vesicle


@@ -44,9 +58,12 @@


   return TS_SUCCESS;


};




/** @brief Calculation of energy of the vertex


/** @brief Calculation of the bending energy of the vertex.


 *  


 *  Main function that calculates energy of the vertex \f$i\f$. Nearest neighbors (NN) must be ordered in counterclockwise direction for this function to work.


 *  Main function that calculates energy of the vertex \f$i\f$. Function returns \f$\frac{1}{2}(c_1+c_2-c)^2 s\f$, where \f$(c_1+c_2)/2\f$ is mean curvature,


 * \f$c/2\f$ is spontaneous curvature and \f$s\f$ is area per vertex \f$i\f$.


 *


 * Nearest neighbors (NN) must be ordered in counterclockwise direction for this function to work.


 *  Firstly NNs that form two neighboring triangles are found (\f$j_m\f$, \f$j_p\f$ and common \f$j\f$). Later, the scalar product of vectors \f$x_1=(\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\cdot (\mathbf{i}-\mathbf{j_p})(\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\f$, \f$x_2=(\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\cdot  (\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\f$  and \f$x_3=(\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\cdot (\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\f$  are calculated. From these three vectors the \f$c_{tp}=\frac{1}{\tan(\varphi_p)}\f$ is calculated, where \f$\varphi_p\f$ is the inner angle at vertex \f$j_p\f$. The procedure is repeated for \f$j_m\f$ instead of \f$j_p\f$ resulting in \f$c_{tn}\f$.


 *  


\begin{tikzpicture}{


@@ -84,109 +101,209 @@


 * @returns TS_SUCCESS on successful calculation.


*/


inline ts_bool energy_vertex(ts_vertex *vtx){


    ts_uint jj;


    ts_uint jjp,jjm;


    ts_vertex *j,*jp, *jm;


    ts_triangle *jt;


    ts_double s=0.0,xh=0.0,yh=0.0,zh=0.0,txn=0.0,tyn=0.0,tzn=0.0;


    ts_double x1,x2,x3,ctp,ctm,tot,xlen;


    ts_double h,ht;


    for(jj=1; jj<=vtx->neigh_no;jj++){


        jjp=jj+1;


        if(jjp>vtx->neigh_no) jjp=1;


        jjm=jj-1;


        if(jjm<1) jjm=vtx->neigh_no;


        j=vtx->neigh[jj-1];


        jp=vtx->neigh[jjp-1];


        jm=vtx->neigh[jjm-1];


        jt=vtx->tristar[jj-1];


        x1=vtx_distance_sq(vtx,jp); //shouldn't be zero!


        x2=vtx_distance_sq(j,jp); // shouldn't be zero!


        x3=(j->x-jp->x)*(vtx->x-jp->x)+


           (j->y-jp->y)*(vtx->y-jp->y)+


           (j->z-jp->z)*(vtx->z-jp->z);


        


#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE


        ctp=x3/sqrt(x1*x2-x3*x3);


#endif


#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT


        ctp=x3/sqrtf(x1*x2-x3*x3);


#endif


#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE


        ctp=x3/sqrtl(x1*x2-x3*x3);


#endif


        x1=vtx_distance_sq(vtx,jm);


        x2=vtx_distance_sq(j,jm);


        x3=(j->x-jm->x)*(vtx->x-jm->x)+


           (j->y-jm->y)*(vtx->y-jm->y)+


           (j->z-jm->z)*(vtx->z-jm->z);


#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE


        ctm=x3/sqrt(x1*x2-x3*x3);


#endif


#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT


        ctm=x3/sqrtf(x1*x2-x3*x3);


#endif


#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE


        ctm=x3/sqrtl(x1*x2-x3*x3);


#endif


        tot=ctp+ctm;


        tot=0.5*tot;


    ts_uint jj, i, j;


    ts_double edge_vector_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_vector_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_vector_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_normal_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_normal_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_normal_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_binormal_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_binormal_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double edge_binormal_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};


    ts_double vertex_normal_x=0.0;


    ts_double vertex_normal_y=0.0;


    ts_double vertex_normal_z=0.0;


//    ts_triangle *triedge[2]={NULL,NULL};




        xlen=vtx_distance_sq(j,vtx);


/*


#ifdef  TS_DOUBLE_DOUBLE 


        vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrt(xlen); 


#endif


#ifdef  TS_DOUBLE_FLOAT


        vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrtf(xlen); 


#endif


#ifdef  TS_DOUBLE_LONGDOUBLE 


        vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrtl(xlen); 


#endif


    ts_uint nei,neip,neim;


    ts_vertex *it, *k, *kp,*km;


    ts_triangle *lm=NULL, *lp=NULL;


    ts_double sumnorm;


    ts_double temp_length;




        vtx->bond[jj-1]->bond_length_dual=tot*vtx->bond[jj-1]->bond_length;


*/


        s+=tot*xlen;


        xh+=tot*(j->x - vtx->x);


        yh+=tot*(j->y - vtx->y);


        zh+=tot*(j->z - vtx->z);


        txn+=jt->xnorm;


        tyn+=jt->ynorm;


        tzn+=jt->znorm;


    }


    


    h=xh*xh+yh*yh+zh*zh;


    ht=txn*xh+tyn*yh + tzn*zh;


    s=s/4.0; 


#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE


    if(ht>=0.0) {


        vtx->curvature=sqrt(h);


    } else {


        vtx->curvature=-sqrt(h);


    }


#endif


#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT


    if(ht>=0.0) {


        vtx->curvature=sqrtf(h);


    } else {


        vtx->curvature=-sqrtf(h);


    }


#endif


#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE


    if(ht>=0.0) {


        vtx->curvature=sqrtl(h);


    } else {


        vtx->curvature=-sqrtl(h);


    }


#endif


// c is forced curvature energy for each vertex. Should be set to zero for


// normal circumstances.


    vtx->energy=0.5*s*(vtx->curvature/s-vtx->c)*(vtx->curvature/s-vtx->c);




    return TS_SUCCESS;


    ts_double Se11, Se21, Se22, Se31, Se32, Se33;


    ts_double Pv11, Pv21, Pv22, Pv31, Pv32, Pv33;


    ts_double We;


    ts_double Av, We_Av;




   ts_double eigenval[3];




   gsl_matrix *gsl_Sv=gsl_matrix_alloc(3,3);


   gsl_vector *Sv_eigen=gsl_vector_alloc(3);


   gsl_eigen_symm_workspace *workspace=gsl_eigen_symm_alloc(3);




   ts_double mprod[7], phi[7], he[7];


   ts_double Sv[3][3]={{0,0,0},{0,0,0},{0,0,0}};


    // Here edge vector is calculated


//    fprintf(stderr, "Vertex has neighbours=%d\n", vtx->neigh_no);










   Av=0;


   for(i=0; i<vtx->tristar_no; i++){


      vertex_normal_x=vertex_normal_x + vtx->tristar[i]->xnorm*vtx->tristar[i]->area;


      vertex_normal_y=vertex_normal_y + vtx->tristar[i]->ynorm*vtx->tristar[i]->area;


      vertex_normal_z=vertex_normal_z + vtx->tristar[i]->znorm*vtx->tristar[i]->area;


      Av+=vtx->tristar[i]->area/3;


   }


   temp_length=sqrt(pow(vertex_normal_x,2)+pow(vertex_normal_y,2)+pow(vertex_normal_z,2));


   vertex_normal_x=vertex_normal_x/temp_length;


   vertex_normal_y=vertex_normal_y/temp_length;


   vertex_normal_z=vertex_normal_z/temp_length;




   Pv11=1-vertex_normal_x*vertex_normal_x;


   Pv22=1-vertex_normal_y*vertex_normal_y;


   Pv33=1-vertex_normal_z*vertex_normal_z;


   Pv21=vertex_normal_x*vertex_normal_y;


   Pv31=vertex_normal_x*vertex_normal_z;


   Pv32=vertex_normal_y*vertex_normal_z;










    for(jj=0;jj<vtx->neigh_no;jj++){


   edge_vector_x[jj]=vtx->neigh[jj]->x-vtx->x;


   edge_vector_y[jj]=vtx->neigh[jj]->y-vtx->y;


   edge_vector_z[jj]=vtx->neigh[jj]->z-vtx->z;




   //Here we calculate normalized edge vector




   temp_length=sqrt(edge_vector_x[jj]*edge_vector_x[jj]+edge_vector_y[jj]*edge_vector_y[jj]+edge_vector_z[jj]*edge_vector_z[jj]);


   edge_vector_x[jj]=edge_vector_x[jj]/temp_length;


   edge_vector_y[jj]=edge_vector_y[jj]/temp_length;


   edge_vector_z[jj]=edge_vector_z[jj]/temp_length;




   //end normalization


//   printf("(%f %f %f)\n", vertex_normal_x, vertex_normal_y, vertex_normal_z);






   it=vtx;


   k=vtx->neigh[jj];


   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("energy_vertex: cannot determine km and kp!",233);


       }




   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("energy_vertex: Cannot find triangles lm and lp!",233);




   //Triangle normals are NORMALIZED!




   sumnorm=sqrt( pow((lm->xnorm + lp->xnorm),2) + pow((lm->ynorm + lp->ynorm), 2) + pow((lm->znorm + lp->znorm), 2));




   edge_normal_x[jj]=(lm->xnorm+ lp->xnorm)/sumnorm;


   edge_normal_y[jj]=(lm->ynorm+ lp->ynorm)/sumnorm;


   edge_normal_z[jj]=(lm->znorm+ lp->znorm)/sumnorm;






   edge_binormal_x[jj]=(edge_normal_y[jj]*edge_vector_z[jj])-(edge_normal_z[jj]*edge_vector_y[jj]);


   edge_binormal_y[jj]=-(edge_normal_x[jj]*edge_vector_z[jj])+(edge_normal_z[jj]*edge_vector_x[jj]);


   edge_binormal_z[jj]=(edge_normal_x[jj]*edge_vector_y[jj])-(edge_normal_y[jj]*edge_vector_x[jj]);






   mprod[jj]=it->x*(k->y*edge_vector_z[jj]-edge_vector_y[jj]*k->z)-it->y*(k->x*edge_vector_z[jj]-k->z*edge_vector_x[jj])+it->z*(k->x*edge_vector_y[jj]-k->y*edge_vector_x[jj]);


   phi[jj]=copysign(acos(lm->xnorm*lp->xnorm+lm->ynorm*lp->ynorm+lm->znorm*lp->znorm-1e-15),mprod[jj])+M_PI;


//   printf("ACOS arg=%e\n", lm->xnorm*lp->xnorm+lm->ynorm*lp->ynorm+lm->znorm*lp->znorm);


   //he was multiplied with 2 before...


   he[jj]=sqrt( pow((edge_vector_x[jj]),2) + pow((edge_vector_y[jj]), 2) + pow((edge_vector_z[jj]), 2))*cos(phi[jj]/2.0);


//   printf("phi[%d]=%f\n", jj,phi[jj]);




   Se11=edge_binormal_x[jj]*edge_binormal_x[jj]*he[jj];


   Se21=edge_binormal_x[jj]*edge_binormal_y[jj]*he[jj];


   Se22=edge_binormal_y[jj]*edge_binormal_y[jj]*he[jj];


   Se31=edge_binormal_x[jj]*edge_binormal_z[jj]*he[jj];


   Se32=edge_binormal_y[jj]*edge_binormal_z[jj]*he[jj];


   Se33=edge_binormal_z[jj]*edge_binormal_z[jj]*he[jj];




   We=vertex_normal_x*edge_normal_x[jj]+vertex_normal_y*edge_normal_y[jj]+vertex_normal_z*edge_normal_z[jj];


   We_Av=We/Av;




   Sv[0][0]+=We_Av* ( Pv11*(Pv11*Se11+Pv21*Se21+Pv31*Se31)+Pv21*(Pv11*Se21+Pv21*Se22+Pv31*Se32)+Pv31*(Pv11*Se31+Pv21*Se32+Pv31*Se33) );


   Sv[0][1]+=We_Av* (Pv21*(Pv11*Se11+Pv21*Se21+Pv31*Se31)+Pv22*(Pv11*Se21+Pv21*Se22+Pv31*Se32)+Pv32*(Pv11*Se31+Pv21*Se32+Pv31*Se33));


   Sv[0][2]+=We_Av* (Pv31*(Pv11*Se11+Pv21*Se21+Pv31*Se31)+Pv32*(Pv11*Se21+Pv21*Se22+Pv31*Se32)+Pv33*(Pv11*Se31+Pv21*Se32+Pv31*Se33));


	


   Sv[1][0]+=We_Av* (Pv11*(Pv21*Se11+Pv22*Se21+Pv32*Se31)+Pv21*(Pv21*Se21+Pv22*Se22+Pv32*Se32)+Pv31*(Pv21*Se31+Pv22*Se32+Pv32*Se33));


   Sv[1][1]+=We_Av* (Pv21*(Pv21*Se11+Pv22*Se21+Pv32*Se31)+Pv22*(Pv21*Se21+Pv22*Se22+Pv32*Se32)+Pv32*(Pv21*Se31+Pv22*Se32+Pv32*Se33));


   Sv[1][2]+=We_Av* (Pv31*(Pv21*Se11+Pv22*Se21+Pv32*Se31)+Pv32*(Pv21*Se21+Pv22*Se22+Pv32*Se32)+Pv33*(Pv21*Se31+Pv22*Se32+Pv32*Se33));




   Sv[2][0]+=We_Av* (Pv11*(Pv31*Se11+Pv32*Se21+Pv33*Se31)+Pv21*(Pv31*Se21+Pv32*Se22+Pv33*Se32)+Pv31*(Pv31*Se31+Pv32*Se32+Pv33*Se33));


   Sv[2][1]+=We_Av* (Pv21*(Pv31*Se11+Pv32*Se21+Pv33*Se31)+Pv22*(Pv31*Se21+Pv32*Se22+Pv33*Se32)+Pv32*(Pv31*Se31+Pv32*Se32+Pv33*Se33));


   Sv[2][2]+=We_Av* (Pv31*(Pv31*Se11+Pv32*Se21+Pv33*Se31)+Pv32*(Pv31*Se21+Pv32*Se22+Pv33*Se32)+Pv33*(Pv31*Se31+Pv32*Se32+Pv33*Se33));


//   printf("(%f %f %f); (%f %f %f); (%f %f %f)\n", edge_vector_x[jj], edge_vector_y[jj], edge_vector_z[jj], edge_normal_x[jj], edge_normal_y[jj], edge_normal_z[jj], edge_binormal_x[jj], edge_binormal_y[jj], edge_binormal_z[jj]);




    } // END FOR JJ




   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 0,0, Sv[0][0]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 0,1, Sv[0][1]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 0,2, Sv[0][2]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 1,0, Sv[1][0]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 1,1, Sv[1][1]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 1,2, Sv[1][2]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 2,0, Sv[2][0]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 2,1, Sv[2][1]);


   gsl_matrix_set(gsl_Sv, 2,2, Sv[2][2]);




//   printf("Se= %f, %f, %f\n    %f, %f, %f\n    %f, %f, %f\n", Se11, Se21, Se31, Se21, Se22, Se32, Se31, Se32, Se33);


//   printf("Pv= %f, %f, %f\n    %f, %f, %f\n    %f, %f, %f\n", Pv11, Pv21, Pv31, Pv21, Pv22, Pv32, Pv31, Pv32, Pv33);


//   printf("Sv= %f, %f, %f\n    %f, %f, %f\n    %f, %f, %f\n", Sv[0][0], Sv[0][1], Sv[0][2], Sv[1][0], Sv[1][1], Sv[1][2], Sv[2][0], Sv[2][1], Sv[2][2]);






   gsl_eigen_symm(gsl_Sv, Sv_eigen, workspace);




//   printf("Eigenvalues: %f, %f, %f\n", gsl_vector_get(Sv_eigen, 0),gsl_vector_get(Sv_eigen, 1), gsl_vector_get(Sv_eigen, 2) );


//   printf("Eigenvalues: %f, %f, %f\n", gsl_matrix_get(evec, 0,0),gsl_matrix_get(evec, 0,1), gsl_matrix_get(evec, 0,2) );






   eigenval[0]= gsl_vector_get(Sv_eigen, 0);


   eigenval[1]= gsl_vector_get(Sv_eigen, 1);


   eigenval[2]= gsl_vector_get(Sv_eigen, 2);




   qsort(eigenval, 3, sizeof(ts_double), cmpfunc);


//   printf("Eigenvalues: %f, %f, %f\n", eigenval[0], eigenval[1], eigenval[2] );






   vtx->energy=(pow(eigenval[0]+eigenval[1],2))*Av;




   gsl_matrix_free(gsl_Sv);


   gsl_vector_free(Sv_eigen);


//   gsl_matrix_free(evec);


   gsl_eigen_symm_free(workspace);


   return TS_SUCCESS;


}








ts_bool sweep_attraction_bond_energy(ts_vesicle *vesicle){


   int i;


@@ -207,3 +324,34 @@


   }


   return TS_SUCCESS;


}




ts_double direct_force_energy(ts_vesicle *vesicle, ts_vertex *vtx, ts_vertex *vtx_old){


   if(fabs(vtx->c)<1e-15) return 0.0;


//   printf("was here");


   if(fabs(vesicle->tape->F)<1e-15) return 0.0;




   ts_double norml,ddp=0.0;


   ts_uint i;


   ts_double xnorm=0.0,ynorm=0.0,znorm=0.0;


   /*find normal of the vertex as sum of all the normals of the triangles surrounding it. */


   for(i=0;i<vtx->tristar_no;i++){


         xnorm+=vtx->tristar[i]->xnorm;


         ynorm+=vtx->tristar[i]->ynorm;


         znorm+=vtx->tristar[i]->znorm;


   }


   /*normalize*/


   norml=sqrt(xnorm*xnorm+ynorm*ynorm+znorm*znorm);


   xnorm/=norml;


   ynorm/=norml;


   znorm/=norml;


   /*calculate ddp, perpendicular displacement*/


   ddp=xnorm*(vtx->x-vtx_old->x)+ynorm*(vtx->y-vtx_old->y)+znorm*(vtx->z-vtx_old->z);


   /*calculate dE*/


//   printf("ddp=%e",ddp);


   return vesicle->tape->F*ddp;		


	


}




void stretchenergy(ts_vesicle *vesicle, ts_triangle *triangle){


   triangle->energy=vesicle->tape->xkA0/2.0*pow((triangle->area/vesicle->tlist->a0-1.0),2);


}