src/gromacs/gmxana/gmx_velacc.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  38 #include <config.h>
  39 #endif
  40 #include <stdio.h>
  41 #include <math.h>
  42
  43 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  44 #include "gmx_fatal.h"
  45 #include "gromacs/fileio/futil.h"
  46 #include "gstat.h"
  47 #include "macros.h"
  48 #include "gromacs/math/utilities.h"
  49 #include "physics.h"
  50 #include "index.h"
  51 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  52 #include "gromacs/commandline/pargs.h"
  53 #include <string.h>
  54 #include "sysstuff.h"
  55 #include "txtdump.h"
  56 #include "typedefs.h"
  57 #include "vec.h"
  58 #include "xvgr.h"
  59 #include "gmx_ana.h"
  60 #include "gromacs/fft/fft.h"
  61 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  62
  63 static void index_atom2mol(int *n, atom_id *index, t_block *mols)
  64 {
  65     int nat, i, nmol, mol, j;
  66
  67     nat  = *n;
  68     i    = 0;
  69     nmol = 0;
  70     mol  = 0;
  71     while (i < nat)
  72     {
  73         while (index[i] > mols->index[mol])
  74         {
  75             mol++;
  76             if (mol >= mols->nr)
  77             {
  78                 gmx_fatal(FARGS, "Atom index out of range: %d", index[i]+1);
  79             }
  80         }
  81         for (j = mols->index[mol]; j < mols->index[mol+1]; j++)
  82         {
  83             if (i >= nat || index[i] != j)
  84             {
  85                 gmx_fatal(FARGS, "The index group does not consist of whole molecules");
  86             }
  87             i++;
  88         }
  89         index[nmol++] = mol;
  90     }
  91
  92     fprintf(stderr, "\nSplit group of %d atoms into %d molecules\n", nat, nmol);
  93
  94     *n = nmol;
  95 }
  96
  97 static void precalc(t_topology top, real normm[])
  98 {
  99
 100     real mtot;
 101     int  i, j, k, l;
 102
 103     for (i = 0; i < top.mols.nr; i++)
 104     {
 105         k    = top.mols.index[i];
 106         l    = top.mols.index[i+1];
 107         mtot = 0.0;
 108
 109         for (j = k; j < l; j++)
 110         {
 111             mtot += top.atoms.atom[j].m;
 112         }
 113
 114         for (j = k; j < l; j++)
 115         {
 116             normm[j] = top.atoms.atom[j].m/mtot;
 117         }
 118
 119     }
 120
 121 }
 122
 123 static void calc_spectrum(int n, real c[], real dt, const char *fn,
 124                           output_env_t oenv, gmx_bool bRecip)
 125 {
 126     FILE     *fp;
 127     gmx_fft_t fft;
 128     int       i, status;
 129     real     *data;
 130     real      nu, omega, recip_fac;
 131
 132     snew(data, n*2);
 133     for (i = 0; (i < n); i++)
 134     {
 135         data[i] = c[i];
 136     }
 137
 138     if ((status = gmx_fft_init_1d_real(&fft, n, GMX_FFT_FLAG_NONE)) != 0)
 139     {
 140         gmx_fatal(FARGS, "Invalid fft return status %d", status);
 141     }
 142     if ((status = gmx_fft_1d_real(fft, GMX_FFT_REAL_TO_COMPLEX, data, data)) != 0)
 143     {
 144         gmx_fatal(FARGS, "Invalid fft return status %d", status);
 145     }
 146     fp = xvgropen(fn, "Vibrational Power Spectrum",
 147                   bRecip ? "\\f{12}w\\f{4} (cm\\S-1\\N)" :
 148                   "\\f{12}n\\f{4} (ps\\S-1\\N)",
 149                   "a.u.", oenv);
 150     /* This is difficult.
 151      * The length of the ACF is dt (as passed to this routine).
 152      * We pass the vacf with N time steps from 0 to dt.
 153      * That means that after FFT we have lowest frequency = 1/dt
 154      * then 1/(2 dt) etc. (this is the X-axis of the data after FFT).
 155      * To convert to 1/cm we need to have to realize that
 156      * E = hbar w = h nu = h c/lambda. We want to have reciprokal cm
 157      * on the x-axis, that is 1/lambda, so we then have
 158      * 1/lambda = nu/c. Since nu has units of 1/ps and c has gromacs units
 159      * of nm/ps, we need to multiply by 1e7.
 160      * The timestep between saving the trajectory is
 161      * 1e7 is to convert nanometer to cm
 162      */
 163     recip_fac = bRecip ? (1e7/SPEED_OF_LIGHT) : 1.0;
 164     for (i = 0; (i < n); i += 2)
 165     {
 166         nu    = i/(2*dt);
 167         omega = nu*recip_fac;
 168         /* Computing the square magnitude of a complex number, since this is a power
 169          * spectrum.
 170          */
 171         fprintf(fp, "%10g  %10g\n", omega, sqr(data[i])+sqr(data[i+1]));
 172     }
 173     xvgrclose(fp);
 174     gmx_fft_destroy(fft);
 175     sfree(data);
 176 }
 177
 178 int gmx_velacc(int argc, char *argv[])
 179 {
 180     const char     *desc[] = {
 181         "[THISMODULE] computes the velocity autocorrelation function.",
 182         "When the [TT]-m[tt] option is used, the momentum autocorrelation",
 183         "function is calculated.[PAR]",
 184         "With option [TT]-mol[tt] the velocity autocorrelation function of",
 185         "molecules is calculated. In this case the index group should consist",
 186         "of molecule numbers instead of atom numbers.[PAR]",
 187         "Be sure that your trajectory contains frames with velocity information",
 188         "(i.e. [TT]nstvout[tt] was set in your original [TT].mdp[tt] file),",
 189         "and that the time interval between data collection points is",
 190         "much shorter than the time scale of the autocorrelation."
 191     };
 192
 193     static gmx_bool bMass = FALSE, bMol = FALSE, bRecip = TRUE;
 194     t_pargs         pa[]  = {
 195         { "-m", FALSE, etBOOL, {&bMass},
 196           "Calculate the momentum autocorrelation function" },
 197         { "-recip", FALSE, etBOOL, {&bRecip},
 198           "Use cm^-1 on X-axis instead of 1/ps for spectra." },
 199         { "-mol", FALSE, etBOOL, {&bMol},
 200           "Calculate the velocity acf of molecules" }
 201     };
 202
 203     t_topology      top;
 204     int             ePBC = -1;
 205     t_trxframe      fr;
 206     matrix          box;
 207     gmx_bool        bTPS = FALSE, bTop = FALSE;
 208     int             gnx;
 209     atom_id        *index;
 210     char           *grpname;
 211     char            title[256];
 212     /* t0, t1 are the beginning and end time respectively.
 213      * dt is the time step, mass is temp variable for atomic mass.
 214      */
 215     real              t0, t1, dt, mass;
 216     t_trxstatus      *status;
 217     int               counter, n_alloc, i, j, counter_dim, k, l;
 218     rvec              mv_mol;
 219     /* Array for the correlation function */
 220     real            **c1;
 221     real             *normm = NULL;
 222     output_env_t      oenv;
 223
 224 #define NHISTO 360
 225
 226     t_filenm  fnm[] = {
 227         { efTRN, "-f",    NULL,   ffREAD  },
 228         { efTPS, NULL,    NULL,   ffOPTRD },
 229         { efNDX, NULL,    NULL,   ffOPTRD },
 230         { efXVG, "-o",    "vac",  ffWRITE },
 231         { efXVG, "-os",   "spectrum", ffOPTWR }
 232     };
 233 #define NFILE asize(fnm)
 234     int       npargs;
 235     t_pargs  *ppa;
 236
 237     npargs = asize(pa);
 238     ppa    = add_acf_pargs(&npargs, pa);
 239     if (!parse_common_args(&argc, argv, PCA_CAN_VIEW | PCA_CAN_TIME | PCA_BE_NICE,
 240                            NFILE, fnm, npargs, ppa, asize(desc), desc, 0, NULL, &oenv))
 241     {
 242         return 0;
 243     }
 244
 245     if (bMol || bMass)
 246     {
 247         bTPS = ftp2bSet(efTPS, NFILE, fnm) || !ftp2bSet(efNDX, NFILE, fnm);
 248     }
 249
 250     if (bTPS)
 251     {
 252         bTop = read_tps_conf(ftp2fn(efTPS, NFILE, fnm), title, &top, &ePBC, NULL, NULL, box,
 253                              TRUE);
 254         get_index(&top.atoms, ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm), 1, &gnx, &index, &grpname);
 255     }
 256     else
 257     {
 258         rd_index(ftp2fn(efNDX, NFILE, fnm), 1, &gnx, &index, &grpname);
 259     }
 260
 261     if (bMol)
 262     {
 263         if (!bTop)
 264         {
 265             gmx_fatal(FARGS, "Need a topology to determine the molecules");
 266         }
 267         snew(normm, top.atoms.nr);
 268         precalc(top, normm);
 269         index_atom2mol(&gnx, index, &top.mols);
 270     }
 271
 272     /* Correlation stuff */
 273     snew(c1, gnx);
 274     for (i = 0; (i < gnx); i++)
 275     {
 276         c1[i] = NULL;
 277     }
 278
 279     read_first_frame(oenv, &status, ftp2fn(efTRN, NFILE, fnm), &fr, TRX_NEED_V);
 280     t0 = fr.time;
 281
 282     n_alloc = 0;
 283     counter = 0;
 284     do
 285     {
 286         if (counter >= n_alloc)
 287         {
 288             n_alloc += 100;
 289             for (i = 0; i < gnx; i++)
 290             {
 291                 srenew(c1[i], DIM*n_alloc);
 292             }
 293         }
 294         counter_dim = DIM*counter;
 295         if (bMol)
 296         {
 297             for (i = 0; i < gnx; i++)
 298             {
 299                 clear_rvec(mv_mol);
 300                 k = top.mols.index[index[i]];
 301                 l = top.mols.index[index[i]+1];
 302                 for (j = k; j < l; j++)
 303                 {
 304                     if (bMass)
 305                     {
 306                         mass = top.atoms.atom[j].m;
 307                     }
 308                     else
 309                     {
 310                         mass = normm[j];
 311                     }
 312                     mv_mol[XX] += mass*fr.v[j][XX];
 313                     mv_mol[YY] += mass*fr.v[j][YY];
 314                     mv_mol[ZZ] += mass*fr.v[j][ZZ];
 315                 }
 316                 c1[i][counter_dim+XX] = mv_mol[XX];
 317                 c1[i][counter_dim+YY] = mv_mol[YY];
 318                 c1[i][counter_dim+ZZ] = mv_mol[ZZ];
 319             }
 320         }
 321         else
 322         {
 323             for (i = 0; i < gnx; i++)
 324             {
 325                 if (bMass)
 326                 {
 327                     mass = top.atoms.atom[index[i]].m;
 328                 }
 329                 else
 330                 {
 331                     mass = 1;
 332                 }
 333                 c1[i][counter_dim+XX] = mass*fr.v[index[i]][XX];
 334                 c1[i][counter_dim+YY] = mass*fr.v[index[i]][YY];
 335                 c1[i][counter_dim+ZZ] = mass*fr.v[index[i]][ZZ];
 336             }
 337         }
 338
 339         t1 = fr.time;
 340
 341         counter++;
 342     }
 343     while (read_next_frame(oenv, status, &fr));
 344
 345     close_trj(status);
 346
 347     if (counter >= 4)
 348     {
 349         /* Compute time step between frames */
 350         dt = (t1-t0)/(counter-1);
 351         do_autocorr(opt2fn("-o", NFILE, fnm), oenv,
 352                     bMass ?
 353                     "Momentum Autocorrelation Function" :
 354                     "Velocity Autocorrelation Function",
 355                     counter, gnx, c1, dt, eacVector, TRUE);
 356
 357         do_view(oenv, opt2fn("-o", NFILE, fnm), "-nxy");
 358
 359         if (opt2bSet("-os", NFILE, fnm))
 360         {
 361             calc_spectrum(counter/2, (real *) (c1[0]), (t1-t0)/2, opt2fn("-os", NFILE, fnm),
 362                           oenv, bRecip);
 363             do_view(oenv, opt2fn("-os", NFILE, fnm), "-nxy");
 364         }
 365     }
 366     else
 367     {
 368         fprintf(stderr, "Not enough frames in trajectory - no output generated.\n");
 369     }
 370
 371     return 0;
 372 }