src/gromacs/gmxana/gmx_sans.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 #include "config.h"
  37
  38 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  39 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  40 #include "gromacs/math/vec.h"
  41 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  42 #include "gromacs/topology/index.h"
  43 #include "gstat.h"
  44 #include "gmx_ana.h"
  45 #include "nsfactor.h"
  46
  47 #include "gromacs/commandline/pargs.h"
  48 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
  49 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  50 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  51 #include "gromacs/pbcutil/rmpbc.h"
  52 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  53 #include "gromacs/utility/futil.h"
  54 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  55 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  56
  57 int gmx_sans(int argc, char *argv[])
  58 {
  59     const char          *desc[] = {
  60         "[THISMODULE] computes SANS spectra using Debye formula.",
  61         "It currently uses topology file (since it need to assigne element for each atom).",
  62         "[PAR]",
  63         "Parameters:[PAR]"
  64         "[TT]-pr[tt] Computes normalized g(r) function averaged over trajectory[PAR]",
  65         "[TT]-prframe[tt] Computes normalized g(r) function for each frame[PAR]",
  66         "[TT]-sq[tt] Computes SANS intensity curve averaged over trajectory[PAR]",
  67         "[TT]-sqframe[tt] Computes SANS intensity curve for each frame[PAR]",
  68         "[TT]-startq[tt] Starting q value in nm[PAR]",
  69         "[TT]-endq[tt] Ending q value in nm[PAR]",
  70         "[TT]-qstep[tt] Stepping in q space[PAR]",
  71         "Note: When using Debye direct method computational cost increases as",
  72         "1/2 * N * (N - 1) where N is atom number in group of interest.",
  73         "[PAR]",
  74         "WARNING: If sq or pr specified this tool can produce large number of files! Up to two times larger than number of frames!"
  75     };
  76     static gmx_bool      bPBC     = TRUE;
  77     static gmx_bool      bNORM    = FALSE;
  78     static real          binwidth = 0.2, grid = 0.05; /* bins shouldnt be smaller then smallest bond (~0.1nm) length */
  79     static real          start_q  = 0.0, end_q = 2.0, q_step = 0.01;
  80     static real          mcover   = -1;
  81     static unsigned int  seed     = 0;
  82     static int           nthreads = -1;
  83
  84     static const char   *emode[]   = { NULL, "direct", "mc", NULL };
  85     static const char   *emethod[] = { NULL, "debye", "fft", NULL };
  86
  87     gmx_neutron_atomic_structurefactors_t    *gnsf;
  88     gmx_sans_t                               *gsans;
  89
  90 #define NPA asize(pa)
  91
  92     t_pargs                               pa[] = {
  93         { "-bin", FALSE, etREAL, {&binwidth},
  94           "[HIDDEN]Binwidth (nm)" },
  95         { "-mode", FALSE, etENUM, {emode},
  96           "Mode for sans spectra calculation" },
  97         { "-mcover", FALSE, etREAL, {&mcover},
  98           "Monte-Carlo coverage should be -1(default) or (0,1]"},
  99         { "-method", FALSE, etENUM, {emethod},
 100           "[HIDDEN]Method for sans spectra calculation" },
 101         { "-pbc", FALSE, etBOOL, {&bPBC},
 102           "Use periodic boundary conditions for computing distances" },
 103         { "-grid", FALSE, etREAL, {&grid},
 104           "[HIDDEN]Grid spacing (in nm) for FFTs" },
 105         {"-startq", FALSE, etREAL, {&start_q},
 106          "Starting q (1/nm) "},
 107         {"-endq", FALSE, etREAL, {&end_q},
 108          "Ending q (1/nm)"},
 109         { "-qstep", FALSE, etREAL, {&q_step},
 110           "Stepping in q (1/nm)"},
 111         { "-seed",     FALSE, etINT,  {&seed},
 112           "Random seed for Monte-Carlo"},
 113 #ifdef GMX_OPENMP
 114         { "-nt",  FALSE, etINT, {&nthreads},
 115           "Number of threads to start"},
 116 #endif
 117     };
 118     FILE                                 *fp;
 119     const char                           *fnTPX, *fnNDX, *fnTRX, *fnDAT = NULL;
 120     t_trxstatus                          *status;
 121     t_topology                           *top  = NULL;
 122     t_atom                               *atom = NULL;
 123     gmx_rmpbc_t                           gpbc = NULL;
 124     gmx_bool                              bTPX;
 125     gmx_bool                              bFFT = FALSE, bDEBYE = FALSE;
 126     gmx_bool                              bMC  = FALSE;
 127     int                                   ePBC = -1;
 128     matrix                                box;
 129     char                                  title[STRLEN];
 130     rvec                                 *x;
 131     int                                   natoms;
 132     real                                  t;
 133     char                                **grpname = NULL;
 134     atom_id                              *index   = NULL;
 135     int                                   isize;
 136     int                                   i, j;
 137     char                                 *hdr            = NULL;
 138     char                                 *suffix         = NULL;
 139     t_filenm                             *fnmdup         = NULL;
 140     gmx_radial_distribution_histogram_t  *prframecurrent = NULL, *pr = NULL;
 141     gmx_static_structurefactor_t         *sqframecurrent = NULL, *sq = NULL;
 142     output_env_t                          oenv;
 143
 144 #define NFILE asize(fnm)
 145
 146     t_filenm   fnm[] = {
 147         { efTPX,  "-s",       NULL,       ffREAD },
 148         { efTRX,  "-f",       NULL,       ffREAD },
 149         { efNDX,  NULL,       NULL,       ffOPTRD },
 150         { efDAT,  "-d",       "nsfactor", ffOPTRD },
 151         { efXVG,  "-pr",      "pr",       ffWRITE },
 152         { efXVG,  "-sq",       "sq",      ffWRITE },
 153         { efXVG,  "-prframe", "prframe",  ffOPTWR },
 154         { efXVG,  "-sqframe", "sqframe",  ffOPTWR }
 155     };
 156
 157     nthreads = gmx_omp_get_max_threads();
 158
 159     if (!parse_common_args(&argc, argv, PCA_CAN_TIME | PCA_TIME_UNIT | PCA_BE_NICE,
 160                            NFILE, fnm, asize(pa), pa, asize(desc), desc, 0, NULL, &oenv))
 161     {
 162         return 0;
 163     }
 164
 165     /* check that binwidth not smaller than smallers distance */
 166     check_binwidth(binwidth);
 167     check_mcover(mcover);
 168
 169     /* setting number of omp threads globaly */
 170     gmx_omp_set_num_threads(nthreads);
 171
 172     /* Now try to parse opts for modes */
 173     switch (emethod[0][0])
 174     {
 175         case 'd':
 176             bDEBYE = TRUE;
 177             switch (emode[0][0])
 178             {
 179                 case 'd':
 180                     bMC = FALSE;
 181                     break;
 182                 case 'm':
 183                     bMC = TRUE;
 184                     break;
 185                 default:
 186                     break;
 187             }
 188             break;
 189         case 'f':
 190             bFFT = TRUE;
 191             break;
 192         default:
 193             break;
 194     }
 195
 196     if (bDEBYE)
 197     {
 198         if (bMC)
 199         {
 200             fprintf(stderr, "Using Monte Carlo Debye method to calculate spectrum\n");
 201         }
 202         else
 203         {
 204             fprintf(stderr, "Using direct Debye method to calculate spectrum\n");
 205         }
 206     }
 207     else if (bFFT)
 208     {
 209         gmx_fatal(FARGS, "FFT method not implemented!");
 210     }
 211     else
 212     {
 213         gmx_fatal(FARGS, "Unknown combination for mode and method!");
 214     }
 215
 216     /* Try to read files */
 217     fnDAT = ftp2fn(efDAT, NFILE, fnm);
 218     fnTPX = ftp2fn(efTPX, NFILE, fnm);
 219     fnTRX = ftp2fn(efTRX, NFILE, fnm);
 220
 221     gnsf = gmx_neutronstructurefactors_init(fnDAT);
 222     fprintf(stderr, "Read %d atom names from %s with neutron scattering parameters\n\n", gnsf->nratoms, fnDAT);
 223
 224     snew(top, 1);
 225     snew(grpname, 1);
 226     snew(index, 1);
 227
 228     bTPX = read_tps_conf(fnTPX, title, top, &ePBC, &x, NULL, box, TRUE);
 229
 230     printf("\nPlease select group for SANS spectra calculation:\n");
 231     get_index(&(top->atoms), ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm), 1, &isize, &index, grpname);
 232
 233     gsans = gmx_sans_init(top, gnsf);
 234
 235     /* Prepare reference frame */
 236     if (bPBC)
 237     {
 238         gpbc = gmx_rmpbc_init(&top->idef, ePBC, top->atoms.nr);
 239         gmx_rmpbc(gpbc, top->atoms.nr, box, x);
 240     }
 241
 242     natoms = read_first_x(oenv, &status, fnTRX, &t, &x, box);
 243     if (natoms != top->atoms.nr)
 244     {
 245         fprintf(stderr, "\nWARNING: number of atoms in tpx (%d) and trajectory (%d) do not match\n", natoms, top->atoms.nr);
 246     }
 247
 248     do
 249     {
 250         if (bPBC)
 251         {
 252             gmx_rmpbc(gpbc, top->atoms.nr, box, x);
 253         }
 254         /* allocate memory for pr */
 255         if (pr == NULL)
 256         {
 257             /* in case its first frame to read */
 258             snew(pr, 1);
 259         }
 260         /*  realy calc p(r) */
 261         prframecurrent = calc_radial_distribution_histogram(gsans, x, box, index, isize, binwidth, bMC, bNORM, mcover, seed);
 262         /* copy prframecurrent -> pr and summ up pr->gr[i] */
 263         /* allocate and/or resize memory for pr->gr[i] and pr->r[i] */
 264         if (pr->gr == NULL)
 265         {
 266             /* check if we use pr->gr first time */
 267             snew(pr->gr, prframecurrent->grn);
 268             snew(pr->r, prframecurrent->grn);
 269         }
 270         else
 271         {
 272             /* resize pr->gr and pr->r if needed to preven overruns */
 273             if (prframecurrent->grn > pr->grn)
 274             {
 275                 srenew(pr->gr, prframecurrent->grn);
 276                 srenew(pr->r, prframecurrent->grn);
 277             }
 278         }
 279         pr->grn      = prframecurrent->grn;
 280         pr->binwidth = prframecurrent->binwidth;
 281         /* summ up gr and fill r */
 282         for (i = 0; i < prframecurrent->grn; i++)
 283         {
 284             pr->gr[i] += prframecurrent->gr[i];
 285             pr->r[i]   = prframecurrent->r[i];
 286         }
 287         /* normalize histo */
 288         normalize_probability(prframecurrent->grn, prframecurrent->gr);
 289         /* convert p(r) to sq */
 290         sqframecurrent = convert_histogram_to_intensity_curve(prframecurrent, start_q, end_q, q_step);
 291         /* print frame data if needed */
 292         if (opt2fn_null("-prframe", NFILE, fnm))
 293         {
 294             snew(hdr, 25);
 295             snew(suffix, GMX_PATH_MAX);
 296             /* prepare header */
 297             sprintf(hdr, "g(r), t = %f", t);
 298             /* prepare output filename */
 299             fnmdup = dup_tfn(NFILE, fnm);
 300             sprintf(suffix, "-t%.2f", t);
 301             add_suffix_to_output_names(fnmdup, NFILE, suffix);
 302             fp = xvgropen(opt2fn_null("-prframe", NFILE, fnmdup), hdr, "Distance (nm)", "Probability", oenv);
 303             for (i = 0; i < prframecurrent->grn; i++)
 304             {
 305                 fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", prframecurrent->r[i], prframecurrent->gr[i]);
 306             }
 307             done_filenms(NFILE, fnmdup);
 308             fclose(fp);
 309             sfree(hdr);
 310             sfree(suffix);
 311             sfree(fnmdup);
 312         }
 313         if (opt2fn_null("-sqframe", NFILE, fnm))
 314         {
 315             snew(hdr, 25);
 316             snew(suffix, GMX_PATH_MAX);
 317             /* prepare header */
 318             sprintf(hdr, "I(q), t = %f", t);
 319             /* prepare output filename */
 320             fnmdup = dup_tfn(NFILE, fnm);
 321             sprintf(suffix, "-t%.2f", t);
 322             add_suffix_to_output_names(fnmdup, NFILE, suffix);
 323             fp = xvgropen(opt2fn_null("-sqframe", NFILE, fnmdup), hdr, "q (nm^-1)", "s(q)/s(0)", oenv);
 324             for (i = 0; i < sqframecurrent->qn; i++)
 325             {
 326                 fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", sqframecurrent->q[i], sqframecurrent->s[i]);
 327             }
 328             done_filenms(NFILE, fnmdup);
 329             fclose(fp);
 330             sfree(hdr);
 331             sfree(suffix);
 332             sfree(fnmdup);
 333         }
 334         /* free pr structure */
 335         sfree(prframecurrent->gr);
 336         sfree(prframecurrent->r);
 337         sfree(prframecurrent);
 338         /* free sq structure */
 339         sfree(sqframecurrent->q);
 340         sfree(sqframecurrent->s);
 341         sfree(sqframecurrent);
 342     }
 343     while (read_next_x(oenv, status, &t, x, box));
 344     close_trj(status);
 345
 346     /* normalize histo */
 347     normalize_probability(pr->grn, pr->gr);
 348     sq = convert_histogram_to_intensity_curve(pr, start_q, end_q, q_step);
 349     /* prepare pr.xvg */
 350     fp = xvgropen(opt2fn_null("-pr", NFILE, fnm), "G(r)", "Distance (nm)", "Probability", oenv);
 351     for (i = 0; i < pr->grn; i++)
 352     {
 353         fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", pr->r[i], pr->gr[i]);
 354     }
 355     xvgrclose(fp);
 356
 357     /* prepare sq.xvg */
 358     fp = xvgropen(opt2fn_null("-sq", NFILE, fnm), "I(q)", "q (nm^-1)", "s(q)/s(0)", oenv);
 359     for (i = 0; i < sq->qn; i++)
 360     {
 361         fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", sq->q[i], sq->s[i]);
 362     }
 363     xvgrclose(fp);
 364     /*
 365      * Clean up memory
 366      */
 367     sfree(pr->gr);
 368     sfree(pr->r);
 369     sfree(pr);
 370     sfree(sq->q);
 371     sfree(sq->s);
 372     sfree(sq);
 373
 374     please_cite(stdout, "Garmay2012");
 375
 376     return 0;
 377 }