src/gromacs/gmxana/gmx_sans.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016 by the GROMACS development team.
   5  * Copyright (c) 2017,2018,2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   6  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   7  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   8  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   9  *
  10  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  12  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  13  * of the License, or (at your option) any later version.
  14  *
  15  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * Lesser General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21  * License along with GROMACS; if not, see
  22  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  23  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  24  *
  25  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  26  * consider that scientific software is very special. Version
  27  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  28  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  29  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  30  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  31  * official version at http://www.gromacs.org.
  32  *
  33  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  34  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  35  */
  36
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "config.h"
  40
  41 #include <array>
  42
  43 #include "gromacs/commandline/pargs.h"
  44 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  45 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  46 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  47 #include "gromacs/gmxana/gmx_ana.h"
  48 #include "gromacs/gmxana/gstat.h"
  49 #include "gromacs/gmxana/nsfactor.h"
  50 #include "gromacs/math/vec.h"
  51 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  52 #include "gromacs/pbcutil/rmpbc.h"
  53 #include "gromacs/topology/index.h"
  54 #include "gromacs/topology/topology.h"
  55 #include "gromacs/utility/arraysize.h"
  56 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  57 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  58 #include "gromacs/utility/futil.h"
  59 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  60 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  61 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
  62 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  63
  64 int gmx_sans(int argc, char* argv[])
  65 {
  66     const char* desc[] = {
  67         "[THISMODULE] computes SANS spectra using Debye formula.",
  68         "It currently uses topology file (since it need to assigne element for each atom).",
  69         "[PAR]",
  70         "Parameters:[PAR]",
  71         "[TT]-pr[tt] Computes normalized g(r) function averaged over trajectory[PAR]",
  72         "[TT]-prframe[tt] Computes normalized g(r) function for each frame[PAR]",
  73         "[TT]-sq[tt] Computes SANS intensity curve averaged over trajectory[PAR]",
  74         "[TT]-sqframe[tt] Computes SANS intensity curve for each frame[PAR]",
  75         "[TT]-startq[tt] Starting q value in nm[PAR]",
  76         "[TT]-endq[tt] Ending q value in nm[PAR]",
  77         "[TT]-qstep[tt] Stepping in q space[PAR]",
  78         "Note: When using Debye direct method computational cost increases as",
  79         "1/2 * N * (N - 1) where N is atom number in group of interest.",
  80         "[PAR]",
  81         "WARNING: If sq or pr specified this tool can produce large number of files! Up to ",
  82         "two times larger than number of frames!"
  83     };
  84     static gmx_bool bPBC     = TRUE;
  85     static gmx_bool bNORM    = FALSE;
  86     static real     binwidth = 0.2,
  87                 grid = 0.05; /* bins shouldn't be smaller then smallest bond (~0.1nm) length */
  88     static real         start_q = 0.0, end_q = 2.0, q_step = 0.01;
  89     static real         mcover   = -1;
  90     static unsigned int seed     = 0;
  91     static int          nthreads = -1;
  92
  93     static const char* emode[]   = { nullptr, "direct", "mc", nullptr };
  94     static const char* emethod[] = { nullptr, "debye", "fft", nullptr };
  95
  96     gmx_neutron_atomic_structurefactors_t* gnsf;
  97     gmx_sans_t*                            gsans;
  98
  99 #define NPA asize(pa)
 100
 101     t_pargs pa[] = {
 102         { "-bin", FALSE, etREAL, { &binwidth }, "[HIDDEN]Binwidth (nm)" },
 103         { "-mode", FALSE, etENUM, { emode }, "Mode for sans spectra calculation" },
 104         { "-mcover",
 105           FALSE,
 106           etREAL,
 107           { &mcover },
 108           "Monte-Carlo coverage should be -1(default) or (0,1]" },
 109         { "-method", FALSE, etENUM, { emethod }, "[HIDDEN]Method for sans spectra calculation" },
 110         { "-pbc",
 111           FALSE,
 112           etBOOL,
 113           { &bPBC },
 114           "Use periodic boundary conditions for computing distances" },
 115         { "-grid", FALSE, etREAL, { &grid }, "[HIDDEN]Grid spacing (in nm) for FFTs" },
 116         { "-startq", FALSE, etREAL, { &start_q }, "Starting q (1/nm) " },
 117         { "-endq", FALSE, etREAL, { &end_q }, "Ending q (1/nm)" },
 118         { "-qstep", FALSE, etREAL, { &q_step }, "Stepping in q (1/nm)" },
 119         { "-seed", FALSE, etINT, { &seed }, "Random seed for Monte-Carlo" },
 120 #if GMX_OPENMP
 121         { "-nt", FALSE, etINT, { &nthreads }, "Number of threads to start" },
 122 #endif
 123     };
 124     FILE*                                fp;
 125     const char *                         fnTPX, *fnTRX, *fnDAT = nullptr;
 126     t_trxstatus*                         status;
 127     t_topology*                          top  = nullptr;
 128     gmx_rmpbc_t                          gpbc = nullptr;
 129     gmx_bool                             bFFT = FALSE, bDEBYE = FALSE;
 130     gmx_bool                             bMC     = FALSE;
 131     PbcType                              pbcType = PbcType::Unset;
 132     matrix                               box;
 133     rvec*                                x;
 134     int                                  natoms;
 135     real                                 t;
 136     char**                               grpname = nullptr;
 137     int*                                 index   = nullptr;
 138     int                                  isize;
 139     int                                  i;
 140     char*                                hdr            = nullptr;
 141     char*                                suffix         = nullptr;
 142     gmx_radial_distribution_histogram_t *prframecurrent = nullptr, *pr = nullptr;
 143     gmx_static_structurefactor_t *       sqframecurrent = nullptr, *sq = nullptr;
 144     gmx_output_env_t*                    oenv;
 145
 146     std::array<t_filenm, 8> filenames = { { { efTPR, "-s", nullptr, ffREAD },
 147                                             { efTRX, "-f", nullptr, ffREAD },
 148                                             { efNDX, nullptr, nullptr, ffOPTRD },
 149                                             { efDAT, "-d", "nsfactor", ffOPTRD },
 150                                             { efXVG, "-pr", "pr", ffWRITE },
 151                                             { efXVG, "-sq", "sq", ffWRITE },
 152                                             { efXVG, "-prframe", "prframe", ffOPTWR },
 153                                             { efXVG, "-sqframe", "sqframe", ffOPTWR } } };
 154     t_filenm*               fnm       = filenames.data();
 155
 156     const auto NFILE = filenames.size();
 157
 158     nthreads = gmx_omp_get_max_threads();
 159
 160     if (!parse_common_args(
 161                 &argc, argv, PCA_CAN_TIME | PCA_TIME_UNIT, NFILE, fnm, asize(pa), pa, asize(desc), desc, 0, nullptr, &oenv))
 162     {
 163         return 0;
 164     }
 165
 166     /* check that binwidth not smaller than smallers distance */
 167     check_binwidth(binwidth);
 168     check_mcover(mcover);
 169
 170     /* setting number of omp threads globaly */
 171     gmx_omp_set_num_threads(nthreads);
 172
 173     /* Now try to parse opts for modes */
 174     GMX_RELEASE_ASSERT(emethod[0] != nullptr, "Options inconsistency; emethod[0] is NULL");
 175     switch (emethod[0][0])
 176     {
 177         case 'd':
 178             bDEBYE = TRUE;
 179             switch (emode[0][0])
 180             {
 181                 case 'd': bMC = FALSE; break;
 182                 case 'm': bMC = TRUE; break;
 183                 default: break;
 184             }
 185             break;
 186         case 'f': bFFT = TRUE; break;
 187         default: break;
 188     }
 189
 190     if (bDEBYE)
 191     {
 192         if (bMC)
 193         {
 194             fprintf(stderr, "Using Monte Carlo Debye method to calculate spectrum\n");
 195         }
 196         else
 197         {
 198             fprintf(stderr, "Using direct Debye method to calculate spectrum\n");
 199         }
 200     }
 201     else if (bFFT)
 202     {
 203         gmx_fatal(FARGS, "FFT method not implemented!");
 204     }
 205     else
 206     {
 207         gmx_fatal(FARGS, "Unknown combination for mode and method!");
 208     }
 209
 210     /* Try to read files */
 211     fnDAT = ftp2fn(efDAT, NFILE, fnm);
 212     fnTPX = ftp2fn(efTPR, NFILE, fnm);
 213     fnTRX = ftp2fn(efTRX, NFILE, fnm);
 214
 215     gnsf = gmx_neutronstructurefactors_init(fnDAT);
 216     fprintf(stderr, "Read %d atom names from %s with neutron scattering parameters\n\n", gnsf->nratoms, fnDAT);
 217
 218     snew(top, 1);
 219     snew(grpname, 1);
 220     snew(index, 1);
 221
 222     read_tps_conf(fnTPX, top, &pbcType, &x, nullptr, box, TRUE);
 223
 224     printf("\nPlease select group for SANS spectra calculation:\n");
 225     get_index(&(top->atoms), ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm), 1, &isize, &index, grpname);
 226
 227     gsans = gmx_sans_init(top, gnsf);
 228
 229     /* Prepare reference frame */
 230     if (bPBC)
 231     {
 232         gpbc = gmx_rmpbc_init(&top->idef, pbcType, top->atoms.nr);
 233         gmx_rmpbc(gpbc, top->atoms.nr, box, x);
 234     }
 235
 236     natoms = read_first_x(oenv, &status, fnTRX, &t, &x, box);
 237     if (natoms != top->atoms.nr)
 238     {
 239         fprintf(stderr,
 240                 "\nWARNING: number of atoms in tpx (%d) and trajectory (%d) do not match\n",
 241                 natoms,
 242                 top->atoms.nr);
 243     }
 244
 245     do
 246     {
 247         if (bPBC)
 248         {
 249             gmx_rmpbc(gpbc, top->atoms.nr, box, x);
 250         }
 251         /* allocate memory for pr */
 252         if (pr == nullptr)
 253         {
 254             /* in case its first frame to read */
 255             snew(pr, 1);
 256         }
 257         /*  realy calc p(r) */
 258         prframecurrent = calc_radial_distribution_histogram(
 259                 gsans, x, box, index, isize, binwidth, bMC, bNORM, mcover, seed);
 260         /* copy prframecurrent -> pr and summ up pr->gr[i] */
 261         /* allocate and/or resize memory for pr->gr[i] and pr->r[i] */
 262         if (pr->gr == nullptr)
 263         {
 264             /* check if we use pr->gr first time */
 265             snew(pr->gr, prframecurrent->grn);
 266             snew(pr->r, prframecurrent->grn);
 267         }
 268         else
 269         {
 270             /* resize pr->gr and pr->r if needed to preven overruns */
 271             if (prframecurrent->grn > pr->grn)
 272             {
 273                 srenew(pr->gr, prframecurrent->grn);
 274                 srenew(pr->r, prframecurrent->grn);
 275             }
 276         }
 277         pr->grn      = prframecurrent->grn;
 278         pr->binwidth = prframecurrent->binwidth;
 279         /* summ up gr and fill r */
 280         for (i = 0; i < prframecurrent->grn; i++)
 281         {
 282             pr->gr[i] += prframecurrent->gr[i];
 283             pr->r[i] = prframecurrent->r[i];
 284         }
 285         /* normalize histo */
 286         normalize_probability(prframecurrent->grn, prframecurrent->gr);
 287         /* convert p(r) to sq */
 288         sqframecurrent = convert_histogram_to_intensity_curve(prframecurrent, start_q, end_q, q_step);
 289         /* print frame data if needed */
 290         if (opt2fn_null("-prframe", NFILE, fnm))
 291         {
 292             snew(hdr, 25);
 293             snew(suffix, GMX_PATH_MAX);
 294             /* prepare header */
 295             sprintf(hdr, "g(r), t = %f", t);
 296             /* prepare output filename */
 297             auto fnmdup = filenames;
 298             sprintf(suffix, "-t%.2f", t);
 299             add_suffix_to_output_names(fnmdup.data(), NFILE, suffix);
 300             fp = xvgropen(opt2fn_null("-prframe", NFILE, fnmdup.data()),
 301                           hdr,
 302                           "Distance (nm)",
 303                           "Probability",
 304                           oenv);
 305             for (i = 0; i < prframecurrent->grn; i++)
 306             {
 307                 fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", prframecurrent->r[i], prframecurrent->gr[i]);
 308             }
 309             xvgrclose(fp);
 310             sfree(hdr);
 311             sfree(suffix);
 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             auto fnmdup = filenames;
 321             sprintf(suffix, "-t%.2f", t);
 322             add_suffix_to_output_names(fnmdup.data(), NFILE, suffix);
 323             fp = xvgropen(
 324                     opt2fn_null("-sqframe", NFILE, fnmdup.data()), hdr, "q (nm^-1)", "s(q)/s(0)", oenv);
 325             for (i = 0; i < sqframecurrent->qn; i++)
 326             {
 327                 fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", sqframecurrent->q[i], sqframecurrent->s[i]);
 328             }
 329             xvgrclose(fp);
 330             sfree(hdr);
 331             sfree(suffix);
 332         }
 333         /* free pr structure */
 334         sfree(prframecurrent->gr);
 335         sfree(prframecurrent->r);
 336         sfree(prframecurrent);
 337         /* free sq structure */
 338         sfree(sqframecurrent->q);
 339         sfree(sqframecurrent->s);
 340         sfree(sqframecurrent);
 341     } while (read_next_x(oenv, status, &t, x, box));
 342     close_trx(status);
 343
 344     /* normalize histo */
 345     normalize_probability(pr->grn, pr->gr);
 346     sq = convert_histogram_to_intensity_curve(pr, start_q, end_q, q_step);
 347     /* prepare pr.xvg */
 348     fp = xvgropen(opt2fn_null("-pr", NFILE, fnm), "G(r)", "Distance (nm)", "Probability", oenv);
 349     for (i = 0; i < pr->grn; i++)
 350     {
 351         fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", pr->r[i], pr->gr[i]);
 352     }
 353     xvgrclose(fp);
 354
 355     /* prepare sq.xvg */
 356     fp = xvgropen(opt2fn_null("-sq", NFILE, fnm), "I(q)", "q (nm^-1)", "s(q)/s(0)", oenv);
 357     for (i = 0; i < sq->qn; i++)
 358     {
 359         fprintf(fp, "%10.6f%10.6f\n", sq->q[i], sq->s[i]);
 360     }
 361     xvgrclose(fp);
 362     /*
 363      * Clean up memory
 364      */
 365     sfree(pr->gr);
 366     sfree(pr->r);
 367     sfree(pr);
 368     sfree(sq->q);
 369     sfree(sq->s);
 370     sfree(sq);
 371
 372     please_cite(stdout, "Garmay2012");
 373
 374     return 0;
 375 }