src/gromacs/mdlib/pull_rotation.c

   1 /*
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  10  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  11  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team,
  12  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  13
  14  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  15  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  16  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  17  * of the License, or (at your option) any later version.
  18  *
  19  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  20  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  21  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  22  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  23  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  24  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  25  *
  26  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  27  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  28  *
  29  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  30  *
  31  * And Hey:
  32  * Gallium Rubidium Oxygen Manganese Argon Carbon Silicon
  33  */
  34 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  35 #include <config.h>
  36 #endif
  37
  38 #include <stdio.h>
  39 #include <stdlib.h>
  40 #include <string.h>
  41 #include "domdec.h"
  42 #include "gmx_wallcycle.h"
  43 #include "trnio.h"
  44 #include "smalloc.h"
  45 #include "network.h"
  46 #include "pbc.h"
  47 #include "futil.h"
  48 #include "mdrun.h"
  49 #include "txtdump.h"
  50 #include "names.h"
  51 #include "mtop_util.h"
  52 #include "names.h"
  53 #include "nrjac.h"
  54 #include "vec.h"
  55 #include "gmx_ga2la.h"
  56 #include "xvgr.h"
  57 #include "gmxfio.h"
  58 #include "groupcoord.h"
  59 #include "pull_rotation.h"
  60 #include "gmx_sort.h"
  61
  62
  63 static char *RotStr = {"Enforced rotation:"};
  64
  65
  66 /* Set the minimum weight for the determination of the slab centers */
  67 #define WEIGHT_MIN (10*GMX_FLOAT_MIN)
  68
  69 /* Helper structure for sorting positions along rotation vector             */
  70 typedef struct {
  71     real xcproj;            /* Projection of xc on the rotation vector        */
  72     int ind;                /* Index of xc                                    */
  73     real m;                 /* Mass                                           */
  74     rvec x;                 /* Position                                       */
  75     rvec x_ref;             /* Reference position                             */
  76 } sort_along_vec_t;
  77
  78
  79 /* Enforced rotation / flexible: determine the angle of each slab             */
  80 typedef struct gmx_slabdata
  81 {
  82     int  nat;               /* Number of atoms belonging to this slab         */
  83     rvec *x;                /* The positions belonging to this slab. In
  84                                general, this should be all positions of the
  85                                whole rotation group, but we leave those away
  86                                that have a small enough weight                */
  87     rvec *ref;              /* Same for reference                             */
  88     real *weight;           /* The weight for each atom                       */
  89 } t_gmx_slabdata;
  90
  91
  92 /* Helper structure for potential fitting */
  93 typedef struct gmx_potfit
  94 {
  95     real   *degangle;       /* Set of angles for which the potential is
  96                                calculated. The optimum fit is determined as
  97                                the angle for with the potential is minimal    */
  98     real   *V;              /* Potential for the different angles             */
  99     matrix *rotmat;         /* Rotation matrix corresponding to the angles    */
 100 } t_gmx_potfit;
 101
 102
 103 /* Enforced rotation data for all groups                                      */
 104 typedef struct gmx_enfrot
 105 {
 106     FILE  *out_rot;         /* Output file for rotation data                  */
 107     FILE  *out_torque;      /* Output file for torque data                    */
 108     FILE  *out_angles;      /* Output file for slab angles for flexible type  */
 109     FILE  *out_slabs;       /* Output file for slab centers                   */
 110     int   bufsize;          /* Allocation size of buf                         */
 111     rvec  *xbuf;            /* Coordinate buffer variable for sorting         */
 112     real  *mbuf;            /* Masses buffer variable for sorting             */
 113     sort_along_vec_t *data; /* Buffer variable needed for position sorting    */
 114     real  *mpi_inbuf;       /* MPI buffer                                     */
 115     real  *mpi_outbuf;      /* MPI buffer                                     */
 116     int   mpi_bufsize;      /* Allocation size of in & outbuf                 */
 117     unsigned long Flags;    /* mdrun flags                                    */
 118     gmx_bool bOut;          /* Used to skip first output when appending to
 119                              * avoid duplicate entries in rotation outfiles   */
 120 } t_gmx_enfrot;
 121
 122
 123 /* Global enforced rotation data for a single rotation group                  */
 124 typedef struct gmx_enfrotgrp
 125 {
 126     real    degangle;       /* Rotation angle in degrees                      */
 127     matrix  rotmat;         /* Rotation matrix                                */
 128     atom_id *ind_loc;       /* Local rotation indices                         */
 129     int     nat_loc;        /* Number of local group atoms                    */
 130     int     nalloc_loc;     /* Allocation size for ind_loc and weight_loc     */
 131
 132     real  V;                /* Rotation potential for this rotation group     */
 133     rvec  *f_rot_loc;       /* Array to store the forces on the local atoms
 134                                resulting from enforced rotation potential     */
 135
 136     /* Collective coordinates for the whole rotation group */
 137     real  *xc_ref_length;   /* Length of each x_rotref vector after x_rotref
 138                                has been put into origin                       */
 139     int   *xc_ref_ind;      /* Position of each local atom in the collective
 140                                array                                          */
 141     rvec  xc_center;        /* Center of the rotation group positions, may
 142                                be mass weighted                               */
 143     rvec  xc_ref_center;    /* dito, for the reference positions              */
 144     rvec  *xc;              /* Current (collective) positions                 */
 145     ivec  *xc_shifts;       /* Current (collective) shifts                    */
 146     ivec  *xc_eshifts;      /* Extra shifts since last DD step                */
 147     rvec  *xc_old;          /* Old (collective) positions                     */
 148     rvec  *xc_norm;         /* Normalized form of the current positions       */
 149     rvec  *xc_ref_sorted;   /* Reference positions (sorted in the same order
 150                                as xc when sorted)                             */
 151     int   *xc_sortind;      /* Where is a position found after sorting?       */
 152     real  *mc;              /* Collective masses                              */
 153     real  *mc_sorted;
 154     real  invmass;          /* one over the total mass of the rotation group  */
 155
 156     real  torque_v;         /* Torque in the direction of rotation vector     */
 157     real  angle_v;          /* Actual angle of the whole rotation group       */
 158     /* Fixed rotation only */
 159     real  weight_v;         /* Weights for angle determination                */
 160     rvec  *xr_loc;          /* Local reference coords, correctly rotated      */
 161     rvec  *x_loc_pbc;       /* Local current coords, correct PBC image        */
 162     real  *m_loc;           /* Masses of the current local atoms              */
 163
 164     /* Flexible rotation only */
 165     int   nslabs_alloc;     /* For this many slabs memory is allocated        */
 166     int   slab_first;       /* Lowermost slab for that the calculation needs
 167                                to be performed at a given time step           */
 168     int   slab_last;        /* Uppermost slab ...                             */
 169     int   slab_first_ref;   /* First slab for which ref. center is stored     */
 170     int   slab_last_ref;    /* Last ...                                       */
 171     int   slab_buffer;      /* Slab buffer region around reference slabs      */
 172     int   *firstatom;       /* First relevant atom for a slab                 */
 173     int   *lastatom;        /* Last relevant atom for a slab                  */
 174     rvec  *slab_center;     /* Gaussian-weighted slab center                  */
 175     rvec  *slab_center_ref; /* Gaussian-weighted slab center for the
 176                                reference positions                            */
 177     real  *slab_weights;    /* Sum of gaussian weights in a slab              */
 178     real  *slab_torque_v;   /* Torque T = r x f for each slab.                */
 179                             /* torque_v = m.v = angular momentum in the
 180                                direction of v                                 */
 181     real  max_beta;         /* min_gaussian from inputrec->rotgrp is the
 182                                minimum value the gaussian must have so that
 183                                the force is actually evaluated max_beta is
 184                                just another way to put it                     */
 185     real  *gn_atom;         /* Precalculated gaussians for a single atom      */
 186     int   *gn_slabind;      /* Tells to which slab each precalculated gaussian
 187                                belongs                                        */
 188     rvec  *slab_innersumvec;/* Inner sum of the flexible2 potential per slab;
 189                                this is precalculated for optimization reasons */
 190     t_gmx_slabdata *slab_data; /* Holds atom positions and gaussian weights
 191                                of atoms belonging to a slab                   */
 192
 193     /* For potential fits with varying angle: */
 194     t_gmx_potfit *PotAngleFit;  /* Used for fit type 'potential'              */
 195 } t_gmx_enfrotgrp;
 196
 197
 198 /* Activate output of forces for correctness checks */
 199 /* #define PRINT_FORCES */
 200 #ifdef PRINT_FORCES
 201 #define PRINT_FORCE_J  fprintf(stderr,"f%d = %15.8f %15.8f %15.8f\n",erg->xc_ref_ind[j],erg->f_rot_loc[j][XX], erg->f_rot_loc[j][YY], erg->f_rot_loc[j][ZZ]);
 202 #define PRINT_POT_TAU  if (MASTER(cr)) { \
 203                            fprintf(stderr,"potential = %15.8f\n" "torque    = %15.8f\n", erg->V, erg->torque_v); \
 204                        }
 205 #else
 206 #define PRINT_FORCE_J
 207 #define PRINT_POT_TAU
 208 #endif
 209
 210 /* Shortcuts for often used queries */
 211 #define ISFLEX(rg) ( (rg->eType==erotgFLEX) || (rg->eType==erotgFLEXT) || (rg->eType==erotgFLEX2) || (rg->eType==erotgFLEX2T) )
 212 #define ISCOLL(rg) ( (rg->eType==erotgFLEX) || (rg->eType==erotgFLEXT) || (rg->eType==erotgFLEX2) || (rg->eType==erotgFLEX2T) || (rg->eType==erotgRMPF) || (rg->eType==erotgRM2PF) )
 213
 214
 215 /* Does any of the rotation groups use slab decomposition? */
 216 static gmx_bool HaveFlexibleGroups(t_rot *rot)
 217 {
 218     int g;
 219     t_rotgrp *rotg;
 220
 221
 222     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 223     {
 224         rotg = &rot->grp[g];
 225         if (ISFLEX(rotg))
 226             return TRUE;
 227     }
 228
 229     return FALSE;
 230 }
 231
 232
 233 /* Is for any group the fit angle determined by finding the minimum of the
 234  * rotation potential? */
 235 static gmx_bool HavePotFitGroups(t_rot *rot)
 236 {
 237     int g;
 238     t_rotgrp *rotg;
 239
 240
 241     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 242     {
 243         rotg = &rot->grp[g];
 244         if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 245             return TRUE;
 246     }
 247
 248     return FALSE;
 249 }
 250
 251
 252 static double** allocate_square_matrix(int dim)
 253 {
 254     int i;
 255     double** mat = NULL;
 256
 257
 258     snew(mat, dim);
 259     for(i=0; i<dim; i++)
 260         snew(mat[i], dim);
 261
 262     return mat;
 263 }
 264
 265
 266 static void free_square_matrix(double** mat, int dim)
 267 {
 268     int i;
 269
 270
 271     for (i=0; i<dim; i++)
 272         sfree(mat[i]);
 273     sfree(mat);
 274 }
 275
 276
 277 /* Return the angle for which the potential is minimal */
 278 static real get_fitangle(t_rotgrp *rotg, gmx_enfrotgrp_t erg)
 279 {
 280     int i;
 281     real fitangle = -999.9;
 282     real pot_min = GMX_FLOAT_MAX;
 283     t_gmx_potfit *fit;
 284
 285
 286     fit = erg->PotAngleFit;
 287
 288     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 289     {
 290         if (fit->V[i] < pot_min)
 291         {
 292             pot_min = fit->V[i];
 293             fitangle = fit->degangle[i];
 294         }
 295     }
 296
 297     return fitangle;
 298 }
 299
 300
 301 /* Reduce potential angle fit data for this group at this time step? */
 302 static gmx_inline gmx_bool bPotAngle(t_rot *rot, t_rotgrp *rotg, gmx_large_int_t step)
 303 {
 304     return ( (erotgFitPOT==rotg->eFittype) && (do_per_step(step, rot->nstsout) || do_per_step(step, rot->nstrout)) );
 305 }
 306
 307 /* Reduce slab torqe data for this group at this time step? */
 308 static gmx_inline gmx_bool bSlabTau(t_rot *rot, t_rotgrp *rotg, gmx_large_int_t step)
 309 {
 310     return ( (ISFLEX(rotg)) && do_per_step(step, rot->nstsout) );
 311 }
 312
 313 /* Output rotation energy, torques, etc. for each rotation group */
 314 static void reduce_output(t_commrec *cr, t_rot *rot, real t, gmx_large_int_t step)
 315 {
 316     int      g,i,islab,nslabs=0;
 317     int      count;      /* MPI element counter                               */
 318     t_rotgrp *rotg;
 319     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
 320     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
 321     real     fitangle;
 322     gmx_bool bFlex;
 323
 324
 325     er=rot->enfrot;
 326
 327     /* Fill the MPI buffer with stuff to reduce. If items are added for reduction
 328      * here, the MPI buffer size has to be enlarged also in calc_mpi_bufsize() */
 329     if (PAR(cr))
 330     {
 331         count=0;
 332         for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 333         {
 334             rotg = &rot->grp[g];
 335             erg = rotg->enfrotgrp;
 336             nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
 337             er->mpi_inbuf[count++] = erg->V;
 338             er->mpi_inbuf[count++] = erg->torque_v;
 339             er->mpi_inbuf[count++] = erg->angle_v;
 340             er->mpi_inbuf[count++] = erg->weight_v; /* weights are not needed for flex types, but this is just a single value */
 341
 342             if (bPotAngle(rot, rotg, step))
 343             {
 344                 for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 345                     er->mpi_inbuf[count++] = erg->PotAngleFit->V[i];
 346             }
 347             if (bSlabTau(rot, rotg, step))
 348             {
 349                 for (i=0; i<nslabs; i++)
 350                     er->mpi_inbuf[count++] = erg->slab_torque_v[i];
 351             }
 352         }
 353         if (count > er->mpi_bufsize)
 354             gmx_fatal(FARGS, "%s MPI buffer overflow, please report this error.", RotStr);
 355
 356 #ifdef GMX_MPI
 357         MPI_Reduce(er->mpi_inbuf, er->mpi_outbuf, count, GMX_MPI_REAL, MPI_SUM, MASTERRANK(cr), cr->mpi_comm_mygroup);
 358 #endif
 359
 360         /* Copy back the reduced data from the buffer on the master */
 361         if (MASTER(cr))
 362         {
 363             count=0;
 364             for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 365             {
 366                 rotg = &rot->grp[g];
 367                 erg = rotg->enfrotgrp;
 368                 nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
 369                 erg->V        = er->mpi_outbuf[count++];
 370                 erg->torque_v = er->mpi_outbuf[count++];
 371                 erg->angle_v  = er->mpi_outbuf[count++];
 372                 erg->weight_v = er->mpi_outbuf[count++];
 373
 374                 if (bPotAngle(rot, rotg, step))
 375                 {
 376                     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 377                         erg->PotAngleFit->V[i] = er->mpi_outbuf[count++];
 378                 }
 379                 if (bSlabTau(rot, rotg, step))
 380                 {
 381                     for (i=0; i<nslabs; i++)
 382                         erg->slab_torque_v[i] = er->mpi_outbuf[count++];
 383                 }
 384             }
 385         }
 386     }
 387
 388     /* Output */
 389     if (MASTER(cr))
 390     {
 391         /* Angle and torque for each rotation group */
 392         for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 393         {
 394             rotg=&rot->grp[g];
 395             bFlex = ISFLEX(rotg);
 396
 397             erg=rotg->enfrotgrp;
 398
 399             /* Output to main rotation output file: */
 400             if ( do_per_step(step, rot->nstrout) )
 401             {
 402                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 403                 {
 404                     fitangle = get_fitangle(rotg, erg);
 405                 }
 406                 else
 407                 {
 408                     if (bFlex)
 409                         fitangle = erg->angle_v; /* RMSD fit angle */
 410                     else
 411                         fitangle = (erg->angle_v/erg->weight_v)*180.0*M_1_PI;
 412                 }
 413                 fprintf(er->out_rot, "%12.4f", fitangle);
 414                 fprintf(er->out_rot, "%12.3e", erg->torque_v);
 415                 fprintf(er->out_rot, "%12.3e", erg->V);
 416             }
 417
 418             if ( do_per_step(step, rot->nstsout) )
 419             {
 420                 /* Output to torque log file: */
 421                 if (bFlex)
 422                 {
 423                     fprintf(er->out_torque, "%12.3e%6d", t, g);
 424                     for (i=erg->slab_first; i<=erg->slab_last; i++)
 425                     {
 426                         islab = i - erg->slab_first;  /* slab index */
 427                         /* Only output if enough weight is in slab */
 428                         if (erg->slab_weights[islab] > rotg->min_gaussian)
 429                             fprintf(er->out_torque, "%6d%12.3e", i, erg->slab_torque_v[islab]);
 430                     }
 431                     fprintf(er->out_torque , "\n");
 432                 }
 433
 434                 /* Output to angles log file: */
 435                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 436                 {
 437                     fprintf(er->out_angles, "%12.3e%6d%12.4f", t, g, erg->degangle);
 438                     /* Output energies at a set of angles around the reference angle */
 439                     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 440                         fprintf(er->out_angles, "%12.3e", erg->PotAngleFit->V[i]);
 441                     fprintf(er->out_angles, "\n");
 442                 }
 443             }
 444         }
 445         if ( do_per_step(step, rot->nstrout) )
 446             fprintf(er->out_rot, "\n");
 447     }
 448 }
 449
 450
 451 /* Add the forces from enforced rotation potential to the local forces.
 452  * Should be called after the SR forces have been evaluated */
 453 extern real add_rot_forces(t_rot *rot, rvec f[], t_commrec *cr, gmx_large_int_t step, real t)
 454 {
 455     int g,l,ii;
 456     t_rotgrp *rotg;
 457     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
 458     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
 459     real Vrot = 0.0;     /* If more than one rotation group is present, Vrot
 460                             assembles the local parts from all groups         */
 461
 462
 463     er=rot->enfrot;
 464
 465     /* Loop over enforced rotation groups (usually 1, though)
 466      * Apply the forces from rotation potentials */
 467     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 468     {
 469         rotg = &rot->grp[g];
 470         erg=rotg->enfrotgrp;
 471         Vrot += erg->V;  /* add the local parts from the nodes */
 472         for (l=0; l<erg->nat_loc; l++)
 473         {
 474             /* Get the right index of the local force */
 475             ii = erg->ind_loc[l];
 476             /* Add */
 477             rvec_inc(f[ii],erg->f_rot_loc[l]);
 478         }
 479     }
 480
 481     /* Reduce energy,torque, angles etc. to get the sum values (per rotation group)
 482      * on the master and output these values to file. */
 483     if ( (do_per_step(step, rot->nstrout) || do_per_step(step, rot->nstsout)) && er->bOut)
 484         reduce_output(cr, rot, t, step);
 485
 486     /* When appending, er->bOut is FALSE the first time to avoid duplicate entries */
 487     er->bOut = TRUE;
 488
 489     PRINT_POT_TAU
 490
 491     return Vrot;
 492 }
 493
 494
 495 /* The Gaussian norm is chosen such that the sum of the gaussian functions
 496  * over the slabs is approximately 1.0 everywhere */
 497 #define GAUSS_NORM   0.569917543430618
 498
 499
 500 /* Calculate the maximum beta that leads to a gaussian larger min_gaussian,
 501  * also does some checks
 502  */
 503 static double calc_beta_max(real min_gaussian, real slab_dist)
 504 {
 505     double sigma;
 506     double arg;
 507
 508
 509     /* Actually the next two checks are already made in grompp */
 510     if (slab_dist <= 0)
 511         gmx_fatal(FARGS, "Slab distance of flexible rotation groups must be >=0 !");
 512     if (min_gaussian <= 0)
 513         gmx_fatal(FARGS, "Cutoff value for Gaussian must be > 0. (You requested %f)");
 514
 515     /* Define the sigma value */
 516     sigma = 0.7*slab_dist;
 517
 518     /* Calculate the argument for the logarithm and check that the log() result is negative or 0 */
 519     arg = min_gaussian/GAUSS_NORM;
 520     if (arg > 1.0)
 521         gmx_fatal(FARGS, "min_gaussian of flexible rotation groups must be <%g", GAUSS_NORM);
 522
 523     return sqrt(-2.0*sigma*sigma*log(min_gaussian/GAUSS_NORM));
 524 }
 525
 526
 527 static gmx_inline real calc_beta(rvec curr_x, t_rotgrp *rotg, int n)
 528 {
 529     return iprod(curr_x, rotg->vec) - rotg->slab_dist * n;
 530 }
 531
 532
 533 static gmx_inline real gaussian_weight(rvec curr_x, t_rotgrp *rotg, int n)
 534 {
 535     const real norm = GAUSS_NORM;
 536     real       sigma;
 537
 538
 539     /* Define the sigma value */
 540     sigma = 0.7*rotg->slab_dist;
 541     /* Calculate the Gaussian value of slab n for position curr_x */
 542     return norm * exp( -0.5 * sqr( calc_beta(curr_x, rotg, n)/sigma ) );
 543 }
 544
 545
 546 /* Returns the weight in a single slab, also calculates the Gaussian- and mass-
 547  * weighted sum of positions for that slab */
 548 static real get_slab_weight(int j, t_rotgrp *rotg, rvec xc[], real mc[], rvec *x_weighted_sum)
 549 {
 550     rvec curr_x;              /* The position of an atom                      */
 551     rvec curr_x_weighted;     /* The gaussian-weighted position               */
 552     real gaussian;            /* A single gaussian weight                     */
 553     real wgauss;              /* gaussian times current mass                  */
 554     real slabweight = 0.0;    /* The sum of weights in the slab               */
 555     int i,islab;
 556     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data      */
 557
 558
 559     erg=rotg->enfrotgrp;
 560     clear_rvec(*x_weighted_sum);
 561
 562     /* Slab index */
 563     islab = j - erg->slab_first;
 564
 565     /* Loop over all atoms in the rotation group */
 566      for (i=0; i<rotg->nat; i++)
 567      {
 568          copy_rvec(xc[i], curr_x);
 569          gaussian = gaussian_weight(curr_x, rotg, j);
 570          wgauss = gaussian * mc[i];
 571          svmul(wgauss, curr_x, curr_x_weighted);
 572          rvec_add(*x_weighted_sum, curr_x_weighted, *x_weighted_sum);
 573          slabweight += wgauss;
 574      } /* END of loop over rotation group atoms */
 575
 576      return slabweight;
 577 }
 578
 579
 580 static void get_slab_centers(
 581         t_rotgrp *rotg,       /* The rotation group information               */
 582         rvec      *xc,        /* The rotation group positions; will
 583                                  typically be enfrotgrp->xc, but at first call
 584                                  it is enfrotgrp->xc_ref                      */
 585         real      *mc,        /* The masses of the rotation group atoms       */
 586         t_commrec *cr,        /* Communication record                         */
 587         int       g,          /* The number of the rotation group             */
 588         real      time,       /* Used for output only                         */
 589         FILE      *out_slabs, /* For outputting center per slab information   */
 590         gmx_bool  bOutStep,   /* Is this an output step?                      */
 591         gmx_bool  bReference) /* If this routine is called from
 592                                  init_rot_group we need to store
 593                                  the reference slab centers                   */
 594 {
 595     int j,islab;
 596     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
 597
 598
 599     erg=rotg->enfrotgrp;
 600
 601     /* Loop over slabs */
 602     for (j = erg->slab_first; j <= erg->slab_last; j++)
 603     {
 604         islab = j - erg->slab_first;
 605         erg->slab_weights[islab] = get_slab_weight(j, rotg, xc, mc, &erg->slab_center[islab]);
 606
 607         /* We can do the calculations ONLY if there is weight in the slab! */
 608         if (erg->slab_weights[islab] > WEIGHT_MIN)
 609         {
 610             svmul(1.0/erg->slab_weights[islab], erg->slab_center[islab], erg->slab_center[islab]);
 611         }
 612         else
 613         {
 614             /* We need to check this here, since we divide through slab_weights
 615              * in the flexible low-level routines! */
 616             gmx_fatal(FARGS, "Not enough weight in slab %d. Slab center cannot be determined!", j);
 617         }
 618
 619         /* At first time step: save the centers of the reference structure */
 620         if (bReference)
 621             copy_rvec(erg->slab_center[islab], erg->slab_center_ref[islab]);
 622     } /* END of loop over slabs */
 623
 624     /* Output on the master */
 625     if (MASTER(cr) && bOutStep)
 626     {
 627         fprintf(out_slabs, "%12.3e%6d", time, g);
 628         for (j = erg->slab_first; j <= erg->slab_last; j++)
 629         {
 630             islab = j - erg->slab_first;
 631             fprintf(out_slabs, "%6d%12.3e%12.3e%12.3e",
 632                     j,erg->slab_center[islab][XX],erg->slab_center[islab][YY],erg->slab_center[islab][ZZ]);
 633         }
 634         fprintf(out_slabs, "\n");
 635     }
 636 }
 637
 638
 639 static void calc_rotmat(
 640         rvec vec,
 641         real degangle,  /* Angle alpha of rotation at time t in degrees       */
 642         matrix rotmat)  /* Rotation matrix                                    */
 643 {
 644     real radangle;            /* Rotation angle in radians */
 645     real cosa;                /* cosine alpha              */
 646     real sina;                /* sine alpha                */
 647     real OMcosa;              /* 1 - cos(alpha)            */
 648     real dumxy, dumxz, dumyz; /* save computations         */
 649     rvec rot_vec;             /* Rotate around rot_vec ... */
 650
 651
 652     radangle = degangle * M_PI/180.0;
 653     copy_rvec(vec , rot_vec );
 654
 655     /* Precompute some variables: */
 656     cosa   = cos(radangle);
 657     sina   = sin(radangle);
 658     OMcosa = 1.0 - cosa;
 659     dumxy  = rot_vec[XX]*rot_vec[YY]*OMcosa;
 660     dumxz  = rot_vec[XX]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 661     dumyz  = rot_vec[YY]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 662
 663     /* Construct the rotation matrix for this rotation group: */
 664     /* 1st column: */
 665     rotmat[XX][XX] = cosa  + rot_vec[XX]*rot_vec[XX]*OMcosa;
 666     rotmat[YY][XX] = dumxy + rot_vec[ZZ]*sina;
 667     rotmat[ZZ][XX] = dumxz - rot_vec[YY]*sina;
 668     /* 2nd column: */
 669     rotmat[XX][YY] = dumxy - rot_vec[ZZ]*sina;
 670     rotmat[YY][YY] = cosa  + rot_vec[YY]*rot_vec[YY]*OMcosa;
 671     rotmat[ZZ][YY] = dumyz + rot_vec[XX]*sina;
 672     /* 3rd column: */
 673     rotmat[XX][ZZ] = dumxz + rot_vec[YY]*sina;
 674     rotmat[YY][ZZ] = dumyz - rot_vec[XX]*sina;
 675     rotmat[ZZ][ZZ] = cosa  + rot_vec[ZZ]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 676
 677 #ifdef PRINTMATRIX
 678     int iii,jjj;
 679
 680     for (iii=0; iii<3; iii++) {
 681         for (jjj=0; jjj<3; jjj++)
 682             fprintf(stderr, " %10.8f ",  rotmat[iii][jjj]);
 683         fprintf(stderr, "\n");
 684     }
 685 #endif
 686 }
 687
 688
 689 /* Calculates torque on the rotation axis tau = position x force */
 690 static gmx_inline real torque(
 691         rvec rotvec,  /* rotation vector; MUST be normalized!                 */
 692         rvec force,   /* force                                                */
 693         rvec x,       /* position of atom on which the force acts             */
 694         rvec pivot)   /* pivot point of rotation axis                         */
 695 {
 696     rvec vectmp, tau;
 697
 698
 699     /* Subtract offset */
 700     rvec_sub(x,pivot,vectmp);
 701
 702     /* position x force */
 703     cprod(vectmp, force, tau);
 704
 705     /* Return the part of the torque which is parallel to the rotation vector */
 706     return iprod(tau, rotvec);
 707 }
 708
 709
 710 /* Right-aligned output of value with standard width */
 711 static void print_aligned(FILE *fp, char *str)
 712 {
 713     fprintf(fp, "%12s", str);
 714 }
 715
 716
 717 /* Right-aligned output of value with standard short width */
 718 static void print_aligned_short(FILE *fp, char *str)
 719 {
 720     fprintf(fp, "%6s", str);
 721 }
 722
 723
 724 static FILE *open_output_file(const char *fn, int steps, const char what[])
 725 {
 726     FILE *fp;
 727
 728
 729     fp = ffopen(fn, "w");
 730
 731     fprintf(fp, "# Output of %s is written in intervals of %d time step%s.\n#\n",
 732             what,steps, steps>1 ? "s":"");
 733
 734     return fp;
 735 }
 736
 737
 738 /* Open output file for slab center data. Call on master only */
 739 static FILE *open_slab_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
 740 {
 741     FILE      *fp;
 742     int       g,i;
 743     t_rotgrp  *rotg;
 744
 745
 746     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
 747     {
 748         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 749     }
 750     else
 751     {
 752         fp = open_output_file(fn, rot->nstsout, "gaussian weighted slab centers");
 753
 754         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 755         {
 756             rotg = &rot->grp[g];
 757             if (ISFLEX(rotg))
 758             {
 759                 fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm, %s.\n",
 760                         g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist,
 761                         rotg->bMassW? "centers of mass":"geometrical centers");
 762             }
 763         }
 764
 765         fprintf(fp, "# Reference centers are listed first (t=-1).\n");
 766         fprintf(fp, "# The following columns have the syntax:\n");
 767         fprintf(fp, "#     ");
 768         print_aligned_short(fp, "t");
 769         print_aligned_short(fp, "grp");
 770         /* Print legend for the first two entries only ... */
 771         for (i=0; i<2; i++)
 772         {
 773             print_aligned_short(fp, "slab");
 774             print_aligned(fp, "X center");
 775             print_aligned(fp, "Y center");
 776             print_aligned(fp, "Z center");
 777         }
 778         fprintf(fp, " ...\n");
 779         fflush(fp);
 780     }
 781
 782     return fp;
 783 }
 784
 785
 786 /* Adds 'buf' to 'str' */
 787 static void add_to_string(char **str, char *buf)
 788 {
 789     int len;
 790
 791
 792     len = strlen(*str) + strlen(buf) + 1;
 793     srenew(*str, len);
 794     strcat(*str, buf);
 795 }
 796
 797
 798 static void add_to_string_aligned(char **str, char *buf)
 799 {
 800     char buf_aligned[STRLEN];
 801
 802     sprintf(buf_aligned, "%12s", buf);
 803     add_to_string(str, buf_aligned);
 804 }
 805
 806
 807 /* Open output file and print some general information about the rotation groups.
 808  * Call on master only */
 809 static FILE *open_rot_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
 810 {
 811     FILE       *fp;
 812     int        g,nsets;
 813     t_rotgrp   *rotg;
 814     const char **setname;
 815     char       buf[50], buf2[75];
 816     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
 817     gmx_bool   bFlex;
 818     char       *LegendStr=NULL;
 819
 820
 821     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
 822     {
 823         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 824     }
 825     else
 826     {
 827         fp = xvgropen(fn, "Rotation angles and energy", "Time [ps]", "angles [degrees] and energies [kJ/mol]", oenv);
 828         fprintf(fp, "# Output of enforced rotation data is written in intervals of %d time step%s.\n#\n", rot->nstrout, rot->nstrout > 1 ? "s":"");
 829         fprintf(fp, "# The scalar tau is the torque [kJ/mol] in the direction of the rotation vector v.\n");
 830         fprintf(fp, "# To obtain the vectorial torque, multiply tau with the group's rot_vec.\n");
 831         fprintf(fp, "# For flexible groups, tau(t,n) from all slabs n have been summed in a single value tau(t) here.\n");
 832         fprintf(fp, "# The torques tau(t,n) are found in the rottorque.log (-rt) output file\n");
 833
 834         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 835         {
 836             rotg = &rot->grp[g];
 837             erg=rotg->enfrotgrp;
 838             bFlex = ISFLEX(rotg);
 839
 840             fprintf(fp, "#\n");
 841             fprintf(fp, "# ROTATION GROUP %d, potential type '%s':\n"      , g, erotg_names[rotg->eType]);
 842             fprintf(fp, "# rot_massw%d          %s\n"                      , g, yesno_names[rotg->bMassW]);
 843             fprintf(fp, "# rot_vec%d            %12.5e %12.5e %12.5e\n"    , g, rotg->vec[XX], rotg->vec[YY], rotg->vec[ZZ]);
 844             fprintf(fp, "# rot_rate%d           %12.5e degrees/ps\n"       , g, rotg->rate);
 845             fprintf(fp, "# rot_k%d              %12.5e kJ/(mol*nm^2)\n"    , g, rotg->k);
 846             if ( rotg->eType==erotgISO || rotg->eType==erotgPM || rotg->eType==erotgRM || rotg->eType==erotgRM2)
 847                 fprintf(fp, "# rot_pivot%d          %12.5e %12.5e %12.5e  nm\n", g, rotg->pivot[XX], rotg->pivot[YY], rotg->pivot[ZZ]);
 848
 849             if (bFlex)
 850             {
 851                 fprintf(fp, "# rot_slab_distance%d   %f nm\n", g, rotg->slab_dist);
 852                 fprintf(fp, "# rot_min_gaussian%d   %12.5e\n", g, rotg->min_gaussian);
 853             }
 854
 855             /* Output the centers of the rotation groups for the pivot-free potentials */
 856             if ((rotg->eType==erotgISOPF) || (rotg->eType==erotgPMPF) || (rotg->eType==erotgRMPF) || (rotg->eType==erotgRM2PF
 857                 || (rotg->eType==erotgFLEXT) || (rotg->eType==erotgFLEX2T)) )
 858             {
 859                 fprintf(fp, "# ref. grp. %d center  %12.5e %12.5e %12.5e\n", g,
 860                             erg->xc_ref_center[XX], erg->xc_ref_center[YY], erg->xc_ref_center[ZZ]);
 861
 862                 fprintf(fp, "# grp. %d init.center  %12.5e %12.5e %12.5e\n", g,
 863                             erg->xc_center[XX], erg->xc_center[YY], erg->xc_center[ZZ]);
 864             }
 865
 866             if ( (rotg->eType == erotgRM2) || (rotg->eType==erotgFLEX2) || (rotg->eType==erotgFLEX2T) )
 867             {
 868                 fprintf(fp, "# rot_eps%d            %12.5e nm^2\n", g, rotg->eps);
 869             }
 870             if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 871             {
 872                 fprintf(fp, "#\n");
 873                 fprintf(fp, "# theta_fit%d is determined by first evaluating the potential for %d angles around theta_ref%d.\n",
 874                             g, rotg->PotAngle_nstep, g);
 875                 fprintf(fp, "# The fit angle is the one with the smallest potential. It is given as the deviation\n");
 876                 fprintf(fp, "# from the reference angle, i.e. if theta_ref=X and theta_fit=Y, then the angle with\n");
 877                 fprintf(fp, "# minimal value of the potential is X+Y. Angular resolution is %g degrees.\n", rotg->PotAngle_step);
 878             }
 879         }
 880
 881         /* Print a nice legend */
 882         snew(LegendStr, 1);
 883         LegendStr[0] = '\0';
 884         sprintf(buf, "#     %6s", "time");
 885         add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 886
 887         nsets = 0;
 888         snew(setname, 4*rot->ngrp);
 889
 890         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 891         {
 892             rotg = &rot->grp[g];
 893             sprintf(buf, "theta_ref%d", g);
 894             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 895
 896             sprintf(buf2, "%s [degrees]", buf);
 897             setname[nsets] = strdup(buf2);
 898             nsets++;
 899         }
 900         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 901         {
 902             rotg = &rot->grp[g];
 903             bFlex = ISFLEX(rotg);
 904
 905             /* For flexible axis rotation we use RMSD fitting to determine the
 906              * actual angle of the rotation group */
 907             if (bFlex || erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 908                 sprintf(buf, "theta_fit%d", g);
 909             else
 910                 sprintf(buf, "theta_av%d", g);
 911             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 912             sprintf(buf2, "%s [degrees]", buf);
 913             setname[nsets] = strdup(buf2);
 914             nsets++;
 915
 916             sprintf(buf, "tau%d", g);
 917             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 918             sprintf(buf2, "%s [kJ/mol]", buf);
 919             setname[nsets] = strdup(buf2);
 920             nsets++;
 921
 922             sprintf(buf, "energy%d", g);
 923             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 924             sprintf(buf2, "%s [kJ/mol]", buf);
 925             setname[nsets] = strdup(buf2);
 926             nsets++;
 927         }
 928         fprintf(fp, "#\n");
 929
 930         if (nsets > 1)
 931             xvgr_legend(fp, nsets, setname, oenv);
 932         sfree(setname);
 933
 934         fprintf(fp, "#\n# Legend for the following data columns:\n");
 935         fprintf(fp, "%s\n", LegendStr);
 936         sfree(LegendStr);
 937
 938         fflush(fp);
 939     }
 940
 941     return fp;
 942 }
 943
 944
 945 /* Call on master only */
 946 static FILE *open_angles_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
 947 {
 948     int      g,i;
 949     FILE     *fp;
 950     t_rotgrp *rotg;
 951     gmx_enfrotgrp_t erg;        /* Pointer to enforced rotation group data */
 952     char     buf[100];
 953
 954
 955     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
 956     {
 957         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 958     }
 959     else
 960     {
 961         /* Open output file and write some information about it's structure: */
 962         fp = open_output_file(fn, rot->nstsout, "rotation group angles");
 963         fprintf(fp, "# All angles given in degrees, time in ps.\n");
 964         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 965         {
 966             rotg = &rot->grp[g];
 967             erg=rotg->enfrotgrp;
 968
 969             /* Output for this group happens only if potential type is flexible or
 970              * if fit type is potential! */
 971             if ( ISFLEX(rotg) || (erotgFitPOT == rotg->eFittype) )
 972             {
 973                 if (ISFLEX(rotg))
 974                     sprintf(buf, " slab distance %f nm, ", rotg->slab_dist);
 975                 else
 976                     buf[0] = '\0';
 977
 978                 fprintf(fp, "#\n# ROTATION GROUP %d '%s',%s fit type '%s'.\n",
 979                         g, erotg_names[rotg->eType], buf, erotg_fitnames[rotg->eFittype]);
 980
 981                 /* Special type of fitting using the potential minimum. This is
 982                  * done for the whole group only, not for the individual slabs. */
 983                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 984                 {
 985                     fprintf(fp, "#    To obtain theta_fit%d, the potential is evaluated for %d angles around theta_ref%d\n", g, rotg->PotAngle_nstep, g);
 986                     fprintf(fp, "#    The fit angle in the rotation standard outfile is the one with minimal energy E(theta_fit) [kJ/mol].\n");
 987                     fprintf(fp, "#\n");
 988                 }
 989
 990                 fprintf(fp, "# Legend for the group %d data columns:\n", g);
 991                 fprintf(fp, "#     ");
 992                 print_aligned_short(fp, "time");
 993                 print_aligned_short(fp, "grp");
 994                 print_aligned(fp, "theta_ref");
 995
 996                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 997                 {
 998                     /* Output the set of angles around the reference angle */
 999                     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
1000                     {
1001                         sprintf(buf, "E(%g)", erg->PotAngleFit->degangle[i]);
1002                         print_aligned(fp, buf);
1003                     }
1004                 }
1005                 else
1006                 {
1007                     /* Output fit angle for each slab */
1008                     print_aligned_short(fp, "slab");
1009                     print_aligned_short(fp, "atoms");
1010                     print_aligned(fp, "theta_fit");
1011                     print_aligned_short(fp, "slab");
1012                     print_aligned_short(fp, "atoms");
1013                     print_aligned(fp, "theta_fit");
1014                     fprintf(fp, " ...");
1015                 }
1016                 fprintf(fp, "\n");
1017             }
1018         }
1019         fflush(fp);
1020     }
1021
1022     return fp;
1023 }
1024
1025
1026 /* Open torque output file and write some information about it's structure.
1027  * Call on master only */
1028 static FILE *open_torque_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
1029 {
1030     FILE      *fp;
1031     int       g;
1032     t_rotgrp  *rotg;
1033
1034
1035     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
1036     {
1037         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
1038     }
1039     else
1040     {
1041         fp = open_output_file(fn, rot->nstsout,"torques");
1042
1043         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
1044         {
1045             rotg = &rot->grp[g];
1046             if (ISFLEX(rotg))
1047             {
1048                 fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm.\n", g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist);
1049                 fprintf(fp, "# The scalar tau is the torque [kJ/mol] in the direction of the rotation vector.\n");
1050                 fprintf(fp, "# To obtain the vectorial torque, multiply tau with\n");
1051                 fprintf(fp, "# rot_vec%d            %10.3e %10.3e %10.3e\n", g, rotg->vec[XX], rotg->vec[YY], rotg->vec[ZZ]);
1052                 fprintf(fp, "#\n");
1053             }
1054         }
1055         fprintf(fp, "# Legend for the following data columns: (tau=torque for that slab):\n");
1056         fprintf(fp, "#     ");
1057         print_aligned_short(fp, "t");
1058         print_aligned_short(fp, "grp");
1059         print_aligned_short(fp, "slab");
1060         print_aligned(fp, "tau");
1061         print_aligned_short(fp, "slab");
1062         print_aligned(fp, "tau");
1063         fprintf(fp, " ...\n");
1064         fflush(fp);
1065     }
1066
1067     return fp;
1068 }
1069
1070
1071 static void swap_val(double* vec, int i, int j)
1072 {
1073     double tmp = vec[j];
1074
1075
1076     vec[j]=vec[i];
1077     vec[i]=tmp;
1078 }
1079
1080
1081 static void swap_col(double **mat, int i, int j)
1082 {
1083     double tmp[3] = {mat[0][j], mat[1][j], mat[2][j]};
1084
1085
1086     mat[0][j]=mat[0][i];
1087     mat[1][j]=mat[1][i];
1088     mat[2][j]=mat[2][i];
1089
1090     mat[0][i]=tmp[0];
1091     mat[1][i]=tmp[1];
1092     mat[2][i]=tmp[2];
1093 }
1094
1095
1096 /* Eigenvectors are stored in columns of eigen_vec */
1097 static void diagonalize_symmetric(
1098         double **matrix,
1099         double **eigen_vec,
1100         double eigenval[3])
1101 {
1102     int n_rot;
1103
1104
1105     jacobi(matrix,3,eigenval,eigen_vec,&n_rot);
1106
1107     /* sort in ascending order */
1108     if (eigenval[0] > eigenval[1])
1109     {
1110         swap_val(eigenval, 0, 1);
1111         swap_col(eigen_vec, 0, 1);
1112     }
1113     if (eigenval[1] > eigenval[2])
1114     {
1115         swap_val(eigenval, 1, 2);
1116         swap_col(eigen_vec, 1, 2);
1117     }
1118     if (eigenval[0] > eigenval[1])
1119     {
1120         swap_val(eigenval, 0, 1);
1121         swap_col(eigen_vec, 0, 1);
1122     }
1123 }
1124
1125
1126 static void align_with_z(
1127         rvec* s,           /* Structure to align */
1128         int natoms,
1129         rvec axis)
1130 {
1131     int    i, j, k;
1132     rvec   zet = {0.0, 0.0, 1.0};
1133     rvec   rot_axis={0.0, 0.0, 0.0};
1134     rvec   *rotated_str=NULL;
1135     real   ooanorm;
1136     real   angle;
1137     matrix rotmat;
1138
1139
1140     snew(rotated_str, natoms);
1141
1142     /* Normalize the axis */
1143     ooanorm = 1.0/norm(axis);
1144     svmul(ooanorm, axis, axis);
1145
1146     /* Calculate the angle for the fitting procedure */
1147     cprod(axis, zet, rot_axis);
1148     angle = acos(axis[2]);
1149     if (angle < 0.0)
1150         angle += M_PI;
1151
1152     /* Calculate the rotation matrix */
1153     calc_rotmat(rot_axis, angle*180.0/M_PI, rotmat);
1154
1155     /* Apply the rotation matrix to s */
1156     for (i=0; i<natoms; i++)
1157     {
1158         for(j=0; j<3; j++)
1159         {
1160             for(k=0; k<3; k++)
1161             {
1162                 rotated_str[i][j] += rotmat[j][k]*s[i][k];
1163             }
1164         }
1165     }
1166
1167     /* Rewrite the rotated structure to s */
1168     for(i=0; i<natoms; i++)
1169     {
1170         for(j=0; j<3; j++)
1171         {
1172             s[i][j]=rotated_str[i][j];
1173         }
1174     }
1175
1176     sfree(rotated_str);
1177 }
1178
1179
1180 static void calc_correl_matrix(rvec* Xstr, rvec* Ystr, double** Rmat, int natoms)
1181 {
1182     int i, j, k;
1183
1184
1185     for (i=0; i<3; i++)
1186         for (j=0; j<3; j++)
1187             Rmat[i][j] = 0.0;
1188
1189     for (i=0; i<3; i++)
1190         for (j=0; j<3; j++)
1191             for (k=0; k<natoms; k++)
1192                 Rmat[i][j] += Ystr[k][i] * Xstr[k][j];
1193 }
1194
1195
1196 static void weigh_coords(rvec* str, real* weight, int natoms)
1197 {
1198     int i, j;
1199
1200
1201     for(i=0; i<natoms; i++)
1202     {
1203         for(j=0; j<3; j++)
1204             str[i][j] *= sqrt(weight[i]);
1205     }
1206 }
1207
1208
1209 static real opt_angle_analytic(
1210         rvec* ref_s,
1211         rvec* act_s,
1212         real* weight,
1213         int natoms,
1214         rvec ref_com,
1215         rvec act_com,
1216         rvec axis)
1217 {
1218     int    i, j, k;
1219     rvec   *ref_s_1=NULL;
1220     rvec   *act_s_1=NULL;
1221     rvec   shift;
1222     double **Rmat, **RtR, **eigvec;
1223     double eigval[3];
1224     double V[3][3], WS[3][3];
1225     double rot_matrix[3][3];
1226     double opt_angle;
1227
1228
1229     /* Do not change the original coordinates */
1230     snew(ref_s_1, natoms);
1231     snew(act_s_1, natoms);
1232     for(i=0; i<natoms; i++)
1233     {
1234         copy_rvec(ref_s[i], ref_s_1[i]);
1235         copy_rvec(act_s[i], act_s_1[i]);
1236     }
1237
1238     /* Translate the structures to the origin */
1239     shift[XX] = -ref_com[XX];
1240     shift[YY] = -ref_com[YY];
1241     shift[ZZ] = -ref_com[ZZ];
1242     translate_x(ref_s_1, natoms, shift);
1243
1244     shift[XX] = -act_com[XX];
1245     shift[YY] = -act_com[YY];
1246     shift[ZZ] = -act_com[ZZ];
1247     translate_x(act_s_1, natoms, shift);
1248
1249     /* Align rotation axis with z */
1250     align_with_z(ref_s_1, natoms, axis);
1251     align_with_z(act_s_1, natoms, axis);
1252
1253     /* Correlation matrix */
1254     Rmat = allocate_square_matrix(3);
1255
1256     for (i=0; i<natoms; i++)
1257     {
1258         ref_s_1[i][2]=0.0;
1259         act_s_1[i][2]=0.0;
1260     }
1261
1262     /* Weight positions with sqrt(weight) */
1263     if (NULL != weight)
1264     {
1265         weigh_coords(ref_s_1, weight, natoms);
1266         weigh_coords(act_s_1, weight, natoms);
1267     }
1268
1269     /* Calculate correlation matrices R=YXt (X=ref_s; Y=act_s) */
1270     calc_correl_matrix(ref_s_1, act_s_1, Rmat, natoms);
1271
1272     /* Calculate RtR */
1273     RtR = allocate_square_matrix(3);
1274     for (i=0; i<3; i++)
1275     {
1276         for (j=0; j<3; j++)
1277         {
1278             for (k=0; k<3; k++)
1279             {
1280                 RtR[i][j] += Rmat[k][i] * Rmat[k][j];
1281             }
1282         }
1283     }
1284     /* Diagonalize RtR */
1285     snew(eigvec,3);
1286     for (i=0; i<3; i++)
1287         snew(eigvec[i],3);
1288
1289     diagonalize_symmetric(RtR, eigvec, eigval);
1290     swap_col(eigvec,0,1);
1291     swap_col(eigvec,1,2);
1292     swap_val(eigval,0,1);
1293     swap_val(eigval,1,2);
1294
1295     /* Calculate V */
1296     for(i=0; i<3; i++)
1297     {
1298         for(j=0; j<3; j++)
1299         {
1300             V[i][j]  = 0.0;
1301             WS[i][j] = 0.0;
1302         }
1303     }
1304
1305     for (i=0; i<2; i++)
1306         for (j=0; j<2; j++)
1307             WS[i][j] = eigvec[i][j] / sqrt(eigval[j]);
1308
1309     for (i=0; i<3; i++)
1310     {
1311         for (j=0; j<3; j++)
1312         {
1313             for (k=0; k<3; k++)
1314             {
1315                 V[i][j] += Rmat[i][k]*WS[k][j];
1316             }
1317         }
1318     }
1319     free_square_matrix(Rmat, 3);
1320
1321     /* Calculate optimal rotation matrix */
1322     for (i=0; i<3; i++)
1323         for (j=0; j<3; j++)
1324             rot_matrix[i][j] = 0.0;
1325
1326     for (i=0; i<3; i++)
1327     {
1328         for(j=0; j<3; j++)
1329         {
1330             for(k=0; k<3; k++){
1331                 rot_matrix[i][j] += eigvec[i][k]*V[j][k];
1332             }
1333         }
1334     }
1335     rot_matrix[2][2] = 1.0;
1336
1337     /* In some cases abs(rot_matrix[0][0]) can be slighly larger
1338      * than unity due to numerical inacurracies. To be able to calculate
1339      * the acos function, we put these values back in range. */
1340     if (rot_matrix[0][0] > 1.0)
1341     {
1342         rot_matrix[0][0] = 1.0;
1343     }
1344     else if (rot_matrix[0][0] < -1.0)
1345     {
1346         rot_matrix[0][0] = -1.0;
1347     }
1348
1349     /* Determine the optimal rotation angle: */
1350     opt_angle = (-1.0)*acos(rot_matrix[0][0])*180.0/M_PI;
1351     if (rot_matrix[0][1] < 0.0)
1352         opt_angle = (-1.0)*opt_angle;
1353
1354     /* Give back some memory */
1355     free_square_matrix(RtR, 3);
1356     sfree(ref_s_1);
1357     sfree(act_s_1);
1358     for (i=0; i<3; i++)
1359         sfree(eigvec[i]);
1360     sfree(eigvec);
1361
1362     return (real) opt_angle;
1363 }
1364
1365
1366 /* Determine angle of the group by RMSD fit to the reference */
1367 /* Not parallelized, call this routine only on the master */
1368 static real flex_fit_angle(t_rotgrp *rotg)
1369 {
1370     int         i;
1371     rvec        *fitcoords=NULL;
1372     rvec        center;         /* Center of positions passed to the fit routine */
1373     real        fitangle;       /* Angle of the rotation group derived by fitting */
1374     rvec        coord;
1375     real        scal;
1376     gmx_enfrotgrp_t erg;        /* Pointer to enforced rotation group data */
1377
1378
1379     erg=rotg->enfrotgrp;
1380
1381     /* Get the center of the rotation group.
1382      * Note, again, erg->xc has been sorted in do_flexible */
1383     get_center(erg->xc, erg->mc_sorted, rotg->nat, center);
1384
1385     /* === Determine the optimal fit angle for the rotation group === */
1386     if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
1387     {
1388         /* Normalize every position to it's reference length */
1389         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
1390         {
1391             /* Put the center of the positions into the origin */
1392             rvec_sub(erg->xc[i], center, coord);
1393             /* Determine the scaling factor for the length: */
1394             scal = erg->xc_ref_length[erg->xc_sortind[i]] / norm(coord);
1395             /* Get position, multiply with the scaling factor and save  */
1396             svmul(scal, coord, erg->xc_norm[i]);
1397         }
1398         fitcoords = erg->xc_norm;
1399     }
1400     else
1401     {
1402         fitcoords = erg->xc;
1403     }
1404     /* From the point of view of the current positions, the reference has rotated
1405      * backwards. Since we output the angle relative to the fixed reference,
1406      * we need the minus sign. */
1407     fitangle = -opt_angle_analytic(erg->xc_ref_sorted, fitcoords, erg->mc_sorted,
1408                                    rotg->nat, erg->xc_ref_center, center, rotg->vec);
1409
1410     return fitangle;
1411 }
1412
1413
1414 /* Determine actual angle of each slab by RMSD fit to the reference */
1415 /* Not parallelized, call this routine only on the master */
1416 static void flex_fit_angle_perslab(
1417         int  g,
1418         t_rotgrp *rotg,
1419         double t,
1420         real degangle,
1421         FILE *fp)
1422 {
1423     int         i,l,n,islab,ind;
1424     rvec        curr_x, ref_x;
1425     rvec        act_center;  /* Center of actual positions that are passed to the fit routine */
1426     rvec        ref_center;  /* Same for the reference positions */
1427     real        fitangle;    /* Angle of a slab derived from an RMSD fit to
1428                               * the reference structure at t=0  */
1429     t_gmx_slabdata *sd;
1430     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data */
1431     real        OOm_av;      /* 1/average_mass of a rotation group atom */
1432     real        m_rel;       /* Relative mass of a rotation group atom  */
1433
1434
1435     erg=rotg->enfrotgrp;
1436
1437     /* Average mass of a rotation group atom: */
1438     OOm_av = erg->invmass*rotg->nat;
1439
1440     /**********************************/
1441     /* First collect the data we need */
1442     /**********************************/
1443
1444     /* Collect the data for the individual slabs */
1445     for (n = erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1446     {
1447         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1448         sd = &(rotg->enfrotgrp->slab_data[islab]);
1449         sd->nat = erg->lastatom[islab]-erg->firstatom[islab]+1;
1450         ind = 0;
1451
1452         /* Loop over the relevant atoms in the slab */
1453         for (l=erg->firstatom[islab]; l<=erg->lastatom[islab]; l++)
1454         {
1455             /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ] */
1456             copy_rvec(erg->xc[l], curr_x);
1457
1458             /* The (unrotated) reference position of this atom is copied to ref_x.
1459              * Beware, the xc coords have been sorted in do_flexible */
1460             copy_rvec(erg->xc_ref_sorted[l], ref_x);
1461
1462             /* Save data for doing angular RMSD fit later */
1463             /* Save the current atom position */
1464             copy_rvec(curr_x, sd->x[ind]);
1465             /* Save the corresponding reference position */
1466             copy_rvec(ref_x , sd->ref[ind]);
1467
1468             /* Maybe also mass-weighting was requested. If yes, additionally
1469              * multiply the weights with the relative mass of the atom. If not,
1470              * multiply with unity. */
1471             m_rel = erg->mc_sorted[l]*OOm_av;
1472
1473             /* Save the weight for this atom in this slab */
1474             sd->weight[ind] = gaussian_weight(curr_x, rotg, n) * m_rel;
1475
1476             /* Next atom in this slab */
1477             ind++;
1478         }
1479     }
1480
1481     /******************************/
1482     /* Now do the fit calculation */
1483     /******************************/
1484
1485     fprintf(fp, "%12.3e%6d%12.3f", t, g, degangle);
1486
1487     /* === Now do RMSD fitting for each slab === */
1488     /* We require at least SLAB_MIN_ATOMS in a slab, such that the fit makes sense. */
1489 #define SLAB_MIN_ATOMS 4
1490
1491     for (n = erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1492     {
1493         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1494         sd = &(rotg->enfrotgrp->slab_data[islab]);
1495         if (sd->nat >= SLAB_MIN_ATOMS)
1496         {
1497             /* Get the center of the slabs reference and current positions */
1498             get_center(sd->ref, sd->weight, sd->nat, ref_center);
1499             get_center(sd->x  , sd->weight, sd->nat, act_center);
1500             if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
1501             {
1502                 /* Normalize every position to it's reference length
1503                  * prior to performing the fit */
1504                 for (i=0; i<sd->nat;i++) /* Center */
1505                 {
1506                     rvec_dec(sd->ref[i], ref_center);
1507                     rvec_dec(sd->x[i]  , act_center);
1508                     /* Normalize x_i such that it gets the same length as ref_i */
1509                     svmul( norm(sd->ref[i])/norm(sd->x[i]), sd->x[i], sd->x[i] );
1510                 }
1511                 /* We already subtracted the centers */
1512                 clear_rvec(ref_center);
1513                 clear_rvec(act_center);
1514             }
1515             fitangle = -opt_angle_analytic(sd->ref, sd->x, sd->weight, sd->nat,
1516                                            ref_center, act_center, rotg->vec);
1517             fprintf(fp, "%6d%6d%12.3f", n, sd->nat, fitangle);
1518         }
1519     }
1520     fprintf(fp     , "\n");
1521
1522 #undef SLAB_MIN_ATOMS
1523 }
1524
1525
1526 /* Shift x with is */
1527 static gmx_inline void shift_single_coord(matrix box, rvec x, const ivec is)
1528 {
1529     int tx,ty,tz;
1530
1531
1532     tx=is[XX];
1533     ty=is[YY];
1534     tz=is[ZZ];
1535
1536     if(TRICLINIC(box))
1537     {
1538         x[XX] += tx*box[XX][XX]+ty*box[YY][XX]+tz*box[ZZ][XX];
1539         x[YY] += ty*box[YY][YY]+tz*box[ZZ][YY];
1540         x[ZZ] += tz*box[ZZ][ZZ];
1541     } else
1542     {
1543         x[XX] += tx*box[XX][XX];
1544         x[YY] += ty*box[YY][YY];
1545         x[ZZ] += tz*box[ZZ][ZZ];
1546     }
1547 }
1548
1549
1550 /* Determine the 'home' slab of this atom which is the
1551  * slab with the highest Gaussian weight of all */
1552 #define round(a) (int)(a+0.5)
1553 static gmx_inline int get_homeslab(
1554         rvec curr_x,   /* The position for which the home slab shall be determined */
1555         rvec rotvec,   /* The rotation vector */
1556         real slabdist) /* The slab distance */
1557 {
1558     real dist;
1559
1560
1561     /* The distance of the atom to the coordinate center (where the
1562      * slab with index 0) is */
1563     dist = iprod(rotvec, curr_x);
1564
1565     return round(dist / slabdist);
1566 }
1567
1568
1569 /* For a local atom determine the relevant slabs, i.e. slabs in
1570  * which the gaussian is larger than min_gaussian
1571  */
1572 static int get_single_atom_gaussians(
1573         rvec      curr_x,
1574         t_commrec *cr,
1575         t_rotgrp  *rotg)
1576 {
1577    int slab, homeslab;
1578    real g;
1579    int count = 0;
1580    gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
1581
1582
1583    erg=rotg->enfrotgrp;
1584
1585    /* Determine the 'home' slab of this atom: */
1586    homeslab = get_homeslab(curr_x, rotg->vec, rotg->slab_dist);
1587
1588    /* First determine the weight in the atoms home slab: */
1589    g = gaussian_weight(curr_x, rotg, homeslab);
1590
1591    erg->gn_atom[count] = g;
1592    erg->gn_slabind[count] = homeslab;
1593    count++;
1594
1595
1596    /* Determine the max slab */
1597    slab = homeslab;
1598    while (g > rotg->min_gaussian)
1599    {
1600        slab++;
1601        g = gaussian_weight(curr_x, rotg, slab);
1602        erg->gn_slabind[count]=slab;
1603        erg->gn_atom[count]=g;
1604        count++;
1605    }
1606    count--;
1607
1608    /* Determine the max slab */
1609    slab = homeslab;
1610    do
1611    {
1612        slab--;
1613        g = gaussian_weight(curr_x, rotg, slab);
1614        erg->gn_slabind[count]=slab;
1615        erg->gn_atom[count]=g;
1616        count++;
1617    }
1618    while (g > rotg->min_gaussian);
1619    count--;
1620
1621    return count;
1622 }
1623
1624
1625 static void flex2_precalc_inner_sum(t_rotgrp *rotg, t_commrec *cr)
1626 {
1627     int  i,n,islab;
1628     rvec  xi;                /* positions in the i-sum                        */
1629     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
1630     real gaussian_xi;
1631     rvec yi0;
1632     rvec  rin;               /* Helper variables                              */
1633     real  fac,fac2;
1634     rvec innersumvec;
1635     real OOpsii,OOpsiistar;
1636     real sin_rin;          /* s_ii.r_ii */
1637     rvec s_in,tmpvec,tmpvec2;
1638     real mi,wi;            /* Mass-weighting of the positions                 */
1639     real N_M;              /* N/M                                             */
1640     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
1641
1642
1643     erg=rotg->enfrotgrp;
1644     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1645
1646     /* Loop over all slabs that contain something */
1647     for (n=erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1648     {
1649         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1650
1651         /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1652         copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1653         /* ... and the reference center in ycn: */
1654         copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1655
1656         /*** D. Calculate the whole inner sum used for second and third sum */
1657         /* For slab n, we need to loop over all atoms i again. Since we sorted
1658          * the atoms with respect to the rotation vector, we know that it is sufficient
1659          * to calculate from firstatom to lastatom only. All other contributions will
1660          * be very small. */
1661         clear_rvec(innersumvec);
1662         for (i = erg->firstatom[islab]; i <= erg->lastatom[islab]; i++)
1663         {
1664             /* Coordinate xi of this atom */
1665             copy_rvec(erg->xc[i],xi);
1666
1667             /* The i-weights */
1668             gaussian_xi = gaussian_weight(xi,rotg,n);
1669             mi = erg->mc_sorted[i];  /* need the sorted mass here */
1670             wi = N_M*mi;
1671
1672             /* Calculate rin */
1673             copy_rvec(erg->xc_ref_sorted[i],yi0); /* Reference position yi0   */
1674             rvec_sub(yi0, ycn, tmpvec2);          /* tmpvec2 = yi0 - ycn      */
1675             mvmul(erg->rotmat, tmpvec2, rin);     /* rin = Omega.(yi0 - ycn)  */
1676
1677             /* Calculate psi_i* and sin */
1678             rvec_sub(xi, xcn, tmpvec2);           /* tmpvec2 = xi - xcn       */
1679             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);    /* tmpvec = v x (xi - xcn)  */
1680             OOpsiistar = norm2(tmpvec)+rotg->eps; /* OOpsii* = 1/psii* = |v x (xi-xcn)|^2 + eps */
1681             OOpsii = norm(tmpvec);                /* OOpsii = 1 / psii = |v x (xi - xcn)| */
1682
1683                                        /*         v x (xi - xcn)          */
1684             unitv(tmpvec, s_in);       /*  sin = ----------------         */
1685                                        /*        |v x (xi - xcn)|         */
1686
1687             sin_rin=iprod(s_in,rin);   /* sin_rin = sin . rin             */
1688
1689             /* Now the whole sum */
1690             fac = OOpsii/OOpsiistar;
1691             svmul(fac, rin, tmpvec);
1692             fac2 = fac*fac*OOpsii;
1693             svmul(fac2*sin_rin, s_in, tmpvec2);
1694             rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
1695
1696             svmul(wi*gaussian_xi*sin_rin, tmpvec, tmpvec2);
1697
1698             rvec_inc(innersumvec,tmpvec2);
1699         } /* now we have the inner sum, used both for sum2 and sum3 */
1700
1701         /* Save it to be used in do_flex2_lowlevel */
1702         copy_rvec(innersumvec, erg->slab_innersumvec[islab]);
1703     } /* END of loop over slabs */
1704 }
1705
1706
1707 static void flex_precalc_inner_sum(t_rotgrp *rotg, t_commrec *cr)
1708 {
1709     int   i,n,islab;
1710     rvec  xi;                /* position                                      */
1711     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
1712     rvec  qin,rin;           /* q_i^n and r_i^n                               */
1713     real  bin;
1714     rvec  tmpvec;
1715     rvec  innersumvec;       /* Inner part of sum_n2                          */
1716     real  gaussian_xi;       /* Gaussian weight gn(xi)                        */
1717     real  mi,wi;             /* Mass-weighting of the positions               */
1718     real  N_M;               /* N/M                                           */
1719
1720     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
1721
1722
1723     erg=rotg->enfrotgrp;
1724     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1725
1726     /* Loop over all slabs that contain something */
1727     for (n=erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1728     {
1729         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1730
1731         /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1732         copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1733         /* ... and the reference center in ycn: */
1734         copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1735
1736         /* For slab n, we need to loop over all atoms i again. Since we sorted
1737          * the atoms with respect to the rotation vector, we know that it is sufficient
1738          * to calculate from firstatom to lastatom only. All other contributions will
1739          * be very small. */
1740         clear_rvec(innersumvec);
1741         for (i=erg->firstatom[islab]; i<=erg->lastatom[islab]; i++)
1742         {
1743             /* Coordinate xi of this atom */
1744             copy_rvec(erg->xc[i],xi);
1745
1746             /* The i-weights */
1747             gaussian_xi = gaussian_weight(xi,rotg,n);
1748             mi = erg->mc_sorted[i];  /* need the sorted mass here */
1749             wi = N_M*mi;
1750
1751             /* Calculate rin and qin */
1752             rvec_sub(erg->xc_ref_sorted[i], ycn, tmpvec); /* tmpvec = yi0-ycn */
1753             mvmul(erg->rotmat, tmpvec, rin);      /* rin = Omega.(yi0 - ycn)  */
1754             cprod(rotg->vec, rin, tmpvec);    /* tmpvec = v x Omega*(yi0-ycn) */
1755
1756                                              /*        v x Omega*(yi0-ycn)    */
1757             unitv(tmpvec, qin);              /* qin = ---------------------   */
1758                                              /*       |v x Omega*(yi0-ycn)|   */
1759
1760             /* Calculate bin */
1761             rvec_sub(xi, xcn, tmpvec);            /* tmpvec = xi-xcn          */
1762             bin = iprod(qin, tmpvec);             /* bin  = qin*(xi-xcn)      */
1763
1764             svmul(wi*gaussian_xi*bin, qin, tmpvec);
1765
1766             /* Add this contribution to the inner sum: */
1767             rvec_add(innersumvec, tmpvec, innersumvec);
1768         } /* now we have the inner sum vector S^n for this slab */
1769         /* Save it to be used in do_flex_lowlevel */
1770         copy_rvec(innersumvec, erg->slab_innersumvec[islab]);
1771     }
1772 }
1773
1774
1775 static real do_flex2_lowlevel(
1776         t_rotgrp  *rotg,
1777         real      sigma,    /* The Gaussian width sigma */
1778         rvec      x[],
1779         gmx_bool  bOutstepRot,
1780         gmx_bool  bOutstepSlab,
1781         matrix    box,
1782         t_commrec *cr)
1783 {
1784     int  count,ic,ii,j,m,n,islab,iigrp,ifit;
1785     rvec xj;                 /* position in the i-sum                         */
1786     rvec yj0;                /* the reference position in the j-sum           */
1787     rvec xcn, ycn;           /* the current and the reference slab centers    */
1788     real V;                  /* This node's part of the rotation pot. energy  */
1789     real gaussian_xj;        /* Gaussian weight                               */
1790     real beta;
1791
1792     real  numerator,fit_numerator;
1793     rvec  rjn,fit_rjn;       /* Helper variables                              */
1794     real  fac,fac2;
1795
1796     real OOpsij,OOpsijstar;
1797     real OOsigma2;           /* 1/(sigma^2)                                   */
1798     real sjn_rjn;
1799     real betasigpsi;
1800     rvec sjn,tmpvec,tmpvec2,yj0_ycn;
1801     rvec sum1vec_part,sum1vec,sum2vec_part,sum2vec,sum3vec,sum4vec,innersumvec;
1802     real sum3,sum4;
1803     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data       */
1804     real mj,wj;              /* Mass-weighting of the positions               */
1805     real N_M;                /* N/M                                           */
1806     real Wjn;                /* g_n(x_j) m_j / Mjn                            */
1807     gmx_bool bCalcPotFit;
1808
1809     /* To calculate the torque per slab */
1810     rvec slab_force;         /* Single force from slab n on one atom          */
1811     rvec slab_sum1vec_part;
1812     real slab_sum3part,slab_sum4part;
1813     rvec slab_sum1vec, slab_sum2vec, slab_sum3vec, slab_sum4vec;
1814
1815
1816     erg=rotg->enfrotgrp;
1817
1818     /* Pre-calculate the inner sums, so that we do not have to calculate
1819      * them again for every atom */
1820     flex2_precalc_inner_sum(rotg, cr);
1821
1822     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
1823
1824     /********************************************************/
1825     /* Main loop over all local atoms of the rotation group */
1826     /********************************************************/
1827     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1828     V = 0.0;
1829     OOsigma2 = 1.0 / (sigma*sigma);
1830     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
1831     {
1832         /* Local index of a rotation group atom  */
1833         ii = erg->ind_loc[j];
1834         /* Position of this atom in the collective array */
1835         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
1836         /* Mass-weighting */
1837         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
1838         wj = N_M*mj;
1839
1840         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ]
1841          * Note that erg->xc_center contains the center of mass in case the flex2-t
1842          * potential was chosen. For the flex2 potential erg->xc_center must be
1843          * zero. */
1844         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xj);
1845
1846         /* Shift this atom such that it is near its reference */
1847         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
1848
1849         /* Determine the slabs to loop over, i.e. the ones with contributions
1850          * larger than min_gaussian */
1851         count = get_single_atom_gaussians(xj, cr, rotg);
1852
1853         clear_rvec(sum1vec_part);
1854         clear_rvec(sum2vec_part);
1855         sum3 = 0.0;
1856         sum4 = 0.0;
1857         /* Loop over the relevant slabs for this atom */
1858         for (ic=0; ic < count; ic++)
1859         {
1860             n = erg->gn_slabind[ic];
1861
1862             /* Get the precomputed Gaussian value of curr_slab for curr_x */
1863             gaussian_xj = erg->gn_atom[ic];
1864
1865             islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1866
1867             /* The (unrotated) reference position of this atom is copied to yj0: */
1868             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0);
1869
1870             beta = calc_beta(xj, rotg,n);
1871
1872             /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1873             copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1874             /* ... and the reference center in ycn: */
1875             copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1876
1877             rvec_sub(yj0, ycn, yj0_ycn);          /* yj0_ycn = yj0 - ycn      */
1878
1879             /* Rotate: */
1880             mvmul(erg->rotmat, yj0_ycn, rjn);     /* rjn = Omega.(yj0 - ycn)  */
1881
1882             /* Subtract the slab center from xj */
1883             rvec_sub(xj, xcn, tmpvec2);           /* tmpvec2 = xj - xcn       */
1884
1885             /* Calculate sjn */
1886             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);    /* tmpvec = v x (xj - xcn)  */
1887
1888             OOpsijstar = norm2(tmpvec)+rotg->eps; /* OOpsij* = 1/psij* = |v x (xj-xcn)|^2 + eps */
1889
1890             numerator = sqr(iprod(tmpvec, rjn));
1891
1892             /*********************************/
1893             /* Add to the rotation potential */
1894             /*********************************/
1895             V += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*numerator/OOpsijstar;
1896
1897             /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
1898              * near the current reference angle */
1899             if (bCalcPotFit)
1900             {
1901                 for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
1902                 {
1903                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_ycn, fit_rjn);
1904                     fit_numerator = sqr(iprod(tmpvec, fit_rjn));
1905                     erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*fit_numerator/OOpsijstar;
1906                 }
1907             }
1908
1909             /*************************************/
1910             /* Now calculate the force on atom j */
1911             /*************************************/
1912
1913             OOpsij = norm(tmpvec);    /* OOpsij = 1 / psij = |v x (xj - xcn)| */
1914
1915                                            /*         v x (xj - xcn)          */
1916             unitv(tmpvec, sjn);            /*  sjn = ----------------         */
1917                                            /*        |v x (xj - xcn)|         */
1918
1919             sjn_rjn=iprod(sjn,rjn);        /* sjn_rjn = sjn . rjn             */
1920
1921
1922             /*** A. Calculate the first of the four sum terms: ****************/
1923             fac = OOpsij/OOpsijstar;
1924             svmul(fac, rjn, tmpvec);
1925             fac2 = fac*fac*OOpsij;
1926             svmul(fac2*sjn_rjn, sjn, tmpvec2);
1927             rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
1928             fac2 = wj*gaussian_xj; /* also needed for sum4 */
1929             svmul(fac2*sjn_rjn, tmpvec, slab_sum1vec_part);
1930             /********************/
1931             /*** Add to sum1: ***/
1932             /********************/
1933             rvec_inc(sum1vec_part, slab_sum1vec_part); /* sum1 still needs to vector multiplied with v */
1934
1935             /*** B. Calculate the forth of the four sum terms: ****************/
1936             betasigpsi = beta*OOsigma2*OOpsij; /* this is also needed for sum3 */
1937             /********************/
1938             /*** Add to sum4: ***/
1939             /********************/
1940             slab_sum4part = fac2*betasigpsi*fac*sjn_rjn*sjn_rjn; /* Note that fac is still valid from above */
1941             sum4 += slab_sum4part;
1942
1943             /*** C. Calculate Wjn for second and third sum */
1944             /* Note that we can safely divide by slab_weights since we check in
1945              * get_slab_centers that it is non-zero. */
1946             Wjn = gaussian_xj*mj/erg->slab_weights[islab];
1947
1948             /* We already have precalculated the inner sum for slab n */
1949             copy_rvec(erg->slab_innersumvec[islab], innersumvec);
1950
1951             /* Weigh the inner sum vector with Wjn */
1952             svmul(Wjn, innersumvec, innersumvec);
1953
1954             /*** E. Calculate the second of the four sum terms: */
1955             /********************/
1956             /*** Add to sum2: ***/
1957             /********************/
1958             rvec_inc(sum2vec_part, innersumvec); /* sum2 still needs to be vector crossproduct'ed with v */
1959
1960             /*** F. Calculate the third of the four sum terms: */
1961             slab_sum3part = betasigpsi * iprod(sjn, innersumvec);
1962             sum3 += slab_sum3part; /* still needs to be multiplied with v */
1963
1964             /*** G. Calculate the torque on the local slab's axis: */
1965             if (bOutstepRot)
1966             {
1967                 /* Sum1 */
1968                 cprod(slab_sum1vec_part, rotg->vec, slab_sum1vec);
1969                 /* Sum2 */
1970                 cprod(innersumvec, rotg->vec, slab_sum2vec);
1971                 /* Sum3 */
1972                 svmul(slab_sum3part, rotg->vec, slab_sum3vec);
1973                 /* Sum4 */
1974                 svmul(slab_sum4part, rotg->vec, slab_sum4vec);
1975
1976                 /* The force on atom ii from slab n only: */
1977                 for (m=0; m<DIM; m++)
1978                     slab_force[m] = rotg->k * (-slab_sum1vec[m] + slab_sum2vec[m] - slab_sum3vec[m] + 0.5*slab_sum4vec[m]);
1979
1980                 erg->slab_torque_v[islab] += torque(rotg->vec, slab_force, xj, xcn);
1981             }
1982         } /* END of loop over slabs */
1983
1984         /* Construct the four individual parts of the vector sum: */
1985         cprod(sum1vec_part, rotg->vec, sum1vec);      /* sum1vec =   { } x v  */
1986         cprod(sum2vec_part, rotg->vec, sum2vec);      /* sum2vec =   { } x v  */
1987         svmul(sum3, rotg->vec, sum3vec);              /* sum3vec =   { } . v  */
1988         svmul(sum4, rotg->vec, sum4vec);              /* sum4vec =   { } . v  */
1989
1990         /* Store the additional force so that it can be added to the force
1991          * array after the normal forces have been evaluated */
1992         for (m=0; m<DIM; m++)
1993             erg->f_rot_loc[j][m] = rotg->k * (-sum1vec[m] + sum2vec[m] - sum3vec[m] + 0.5*sum4vec[m]);
1994
1995 #ifdef SUM_PARTS
1996         fprintf(stderr, "sum1: %15.8f %15.8f %15.8f\n",    -rotg->k*sum1vec[XX],    -rotg->k*sum1vec[YY],    -rotg->k*sum1vec[ZZ]);
1997         fprintf(stderr, "sum2: %15.8f %15.8f %15.8f\n",     rotg->k*sum2vec[XX],     rotg->k*sum2vec[YY],     rotg->k*sum2vec[ZZ]);
1998         fprintf(stderr, "sum3: %15.8f %15.8f %15.8f\n",    -rotg->k*sum3vec[XX],    -rotg->k*sum3vec[YY],    -rotg->k*sum3vec[ZZ]);
1999         fprintf(stderr, "sum4: %15.8f %15.8f %15.8f\n", 0.5*rotg->k*sum4vec[XX], 0.5*rotg->k*sum4vec[YY], 0.5*rotg->k*sum4vec[ZZ]);
2000 #endif
2001
2002         PRINT_FORCE_J
2003
2004     } /* END of loop over local atoms */
2005
2006     return V;
2007 }
2008
2009
2010 static real do_flex_lowlevel(
2011         t_rotgrp *rotg,
2012         real      sigma,     /* The Gaussian width sigma                      */
2013         rvec      x[],
2014         gmx_bool  bOutstepRot,
2015         gmx_bool  bOutstepSlab,
2016         matrix    box,
2017         t_commrec *cr)
2018 {
2019     int   count,ic,ifit,ii,j,m,n,islab,iigrp;
2020     rvec  xj,yj0;            /* current and reference position                */
2021     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
2022     rvec  yj0_ycn;           /* yj0 - ycn                                     */
2023     rvec  xj_xcn;            /* xj - xcn                                      */
2024     rvec  qjn,fit_qjn;       /* q_i^n                                         */
2025     rvec  sum_n1,sum_n2;     /* Two contributions to the rotation force       */
2026     rvec  innersumvec;       /* Inner part of sum_n2                          */
2027     rvec  s_n;
2028     rvec  force_n;           /* Single force from slab n on one atom          */
2029     rvec  force_n1,force_n2; /* First and second part of force_n              */
2030     rvec  tmpvec,tmpvec2,tmp_f;   /* Helper variables                         */
2031     real  V;                 /* The rotation potential energy                 */
2032     real  OOsigma2;          /* 1/(sigma^2)                                   */
2033     real  beta;              /* beta_n(xj)                                    */
2034     real  bjn, fit_bjn;      /* b_j^n                                         */
2035     real  gaussian_xj;       /* Gaussian weight gn(xj)                        */
2036     real  betan_xj_sigma2;
2037     real  mj,wj;             /* Mass-weighting of the positions               */
2038     real  N_M;               /* N/M                                           */
2039     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data       */
2040     gmx_bool bCalcPotFit;
2041
2042
2043     erg=rotg->enfrotgrp;
2044
2045     /* Pre-calculate the inner sums, so that we do not have to calculate
2046      * them again for every atom */
2047     flex_precalc_inner_sum(rotg, cr);
2048
2049     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2050
2051     /********************************************************/
2052     /* Main loop over all local atoms of the rotation group */
2053     /********************************************************/
2054     OOsigma2 = 1.0/(sigma*sigma);
2055     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2056     V = 0.0;
2057     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2058     {
2059         /* Local index of a rotation group atom  */
2060         ii = erg->ind_loc[j];
2061         /* Position of this atom in the collective array */
2062         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2063         /* Mass-weighting */
2064         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
2065         wj = N_M*mj;
2066
2067         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ]
2068          * Note that erg->xc_center contains the center of mass in case the flex-t
2069          * potential was chosen. For the flex potential erg->xc_center must be
2070          * zero. */
2071         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xj);
2072
2073         /* Shift this atom such that it is near its reference */
2074         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
2075
2076         /* Determine the slabs to loop over, i.e. the ones with contributions
2077          * larger than min_gaussian */
2078         count = get_single_atom_gaussians(xj, cr, rotg);
2079
2080         clear_rvec(sum_n1);
2081         clear_rvec(sum_n2);
2082
2083         /* Loop over the relevant slabs for this atom */
2084         for (ic=0; ic < count; ic++)
2085         {
2086             n = erg->gn_slabind[ic];
2087
2088             /* Get the precomputed Gaussian for xj in slab n */
2089             gaussian_xj = erg->gn_atom[ic];
2090
2091             islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
2092
2093             /* The (unrotated) reference position of this atom is saved in yj0: */
2094             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0);
2095
2096             beta = calc_beta(xj, rotg, n);
2097
2098             /* The current center of this slab is saved in xcn: */
2099             copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
2100             /* ... and the reference center in ycn: */
2101             copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
2102
2103             rvec_sub(yj0, ycn, yj0_ycn); /* yj0_ycn = yj0 - ycn */
2104
2105             /* Rotate: */
2106             mvmul(erg->rotmat, yj0_ycn, tmpvec2); /* tmpvec2= Omega.(yj0-ycn) */
2107
2108             /* Subtract the slab center from xj */
2109             rvec_sub(xj, xcn, xj_xcn);           /* xj_xcn = xj - xcn         */
2110
2111             /* Calculate qjn */
2112             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec); /* tmpvec= v x Omega.(yj0-ycn) */
2113
2114                                  /*         v x Omega.(yj0-ycn)    */
2115             unitv(tmpvec,qjn);   /*  qjn = ---------------------   */
2116                                  /*        |v x Omega.(yj0-ycn)|   */
2117
2118             bjn = iprod(qjn, xj_xcn);   /* bjn = qjn * (xj - xcn) */
2119
2120             /*********************************/
2121             /* Add to the rotation potential */
2122             /*********************************/
2123             V += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*sqr(bjn);
2124
2125             /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2126              * near the current reference angle */
2127             if (bCalcPotFit)
2128             {
2129                 for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2130                 {
2131                     /* As above calculate Omega.(yj0-ycn), now for the other angles */
2132                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_ycn, tmpvec2); /* tmpvec2= Omega.(yj0-ycn) */
2133                     /* As above calculate qjn */
2134                     cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec); /* tmpvec= v x Omega.(yj0-ycn) */
2135                                              /*             v x Omega.(yj0-ycn)    */
2136                     unitv(tmpvec,fit_qjn);   /*  fit_qjn = ---------------------   */
2137                                              /*            |v x Omega.(yj0-ycn)|   */
2138                     fit_bjn = iprod(fit_qjn, xj_xcn);   /* fit_bjn = fit_qjn * (xj - xcn) */
2139                     /* Add to the rotation potential for this angle */
2140                     erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*sqr(fit_bjn);
2141                 }
2142             }
2143
2144             /****************************************************************/
2145             /* sum_n1 will typically be the main contribution to the force: */
2146             /****************************************************************/
2147             betan_xj_sigma2 = beta*OOsigma2;  /*  beta_n(xj)/sigma^2  */
2148
2149             /* The next lines calculate
2150              *  qjn - (bjn*beta(xj)/(2sigma^2))v  */
2151             svmul(bjn*0.5*betan_xj_sigma2, rotg->vec, tmpvec2);
2152             rvec_sub(qjn,tmpvec2,tmpvec);
2153
2154             /* Multiply with gn(xj)*bjn: */
2155             svmul(gaussian_xj*bjn,tmpvec,tmpvec2);
2156
2157             /* Sum over n: */
2158             rvec_inc(sum_n1,tmpvec2);
2159
2160             /* We already have precalculated the Sn term for slab n */
2161             copy_rvec(erg->slab_innersumvec[islab], s_n);
2162                                                                           /*          beta_n(xj)              */
2163             svmul(betan_xj_sigma2*iprod(s_n, xj_xcn), rotg->vec, tmpvec); /* tmpvec = ---------- s_n (xj-xcn) */
2164                                                                           /*            sigma^2               */
2165
2166             rvec_sub(s_n, tmpvec, innersumvec);
2167
2168             /* We can safely divide by slab_weights since we check in get_slab_centers
2169              * that it is non-zero. */
2170             svmul(gaussian_xj/erg->slab_weights[islab], innersumvec, innersumvec);
2171
2172             rvec_add(sum_n2, innersumvec, sum_n2);
2173
2174             /* Calculate the torque: */
2175             if (bOutstepRot)
2176             {
2177                 /* The force on atom ii from slab n only: */
2178                 svmul(-rotg->k*wj, tmpvec2    , force_n1); /* part 1 */
2179                 svmul( rotg->k*mj, innersumvec, force_n2); /* part 2 */
2180                 rvec_add(force_n1, force_n2, force_n);
2181                 erg->slab_torque_v[islab] += torque(rotg->vec, force_n, xj, xcn);
2182             }
2183         } /* END of loop over slabs */
2184
2185         /* Put both contributions together: */
2186         svmul(wj, sum_n1, sum_n1);
2187         svmul(mj, sum_n2, sum_n2);
2188         rvec_sub(sum_n2,sum_n1,tmp_f); /* F = -grad V */
2189
2190         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2191          * array after the normal forces have been evaluated */
2192         for(m=0; m<DIM; m++)
2193             erg->f_rot_loc[j][m] = rotg->k*tmp_f[m];
2194
2195         PRINT_FORCE_J
2196
2197     } /* END of loop over local atoms */
2198
2199     return V;
2200 }
2201
2202 #ifdef PRINT_COORDS
2203 static void print_coordinates(t_commrec *cr, t_rotgrp *rotg, rvec x[], matrix box, int step)
2204 {
2205     int i;
2206     static FILE *fp;
2207     static char buf[STRLEN];
2208     static gmx_bool bFirst=1;
2209
2210
2211     if (bFirst)
2212     {
2213         sprintf(buf, "coords%d.txt", cr->nodeid);
2214         fp = fopen(buf, "w");
2215         bFirst = 0;
2216     }
2217
2218     fprintf(fp, "\nStep %d\n", step);
2219     fprintf(fp, "box: %f %f %f %f %f %f %f %f %f\n",
2220             box[XX][XX], box[XX][YY], box[XX][ZZ],
2221             box[YY][XX], box[YY][YY], box[YY][ZZ],
2222             box[ZZ][XX], box[ZZ][ZZ], box[ZZ][ZZ]);
2223     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2224     {
2225         fprintf(fp, "%4d  %f %f %f\n", i,
2226                 erg->xc[i][XX], erg->xc[i][YY], erg->xc[i][ZZ]);
2227     }
2228     fflush(fp);
2229
2230 }
2231 #endif
2232
2233
2234 static int projection_compare(const void *a, const void *b)
2235 {
2236     sort_along_vec_t *xca, *xcb;
2237
2238
2239     xca = (sort_along_vec_t *)a;
2240     xcb = (sort_along_vec_t *)b;
2241
2242     if (xca->xcproj < xcb->xcproj)
2243         return -1;
2244     else if (xca->xcproj > xcb->xcproj)
2245         return 1;
2246     else
2247         return 0;
2248 }
2249
2250
2251 static void sort_collective_coordinates(
2252         t_rotgrp *rotg,         /* Rotation group */
2253         sort_along_vec_t *data) /* Buffer for sorting the positions */
2254 {
2255     int i;
2256     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2257
2258
2259     erg=rotg->enfrotgrp;
2260
2261     /* The projection of the position vector on the rotation vector is
2262      * the relevant value for sorting. Fill the 'data' structure */
2263     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2264     {
2265         data[i].xcproj = iprod(erg->xc[i], rotg->vec);  /* sort criterium */
2266         data[i].m      = erg->mc[i];
2267         data[i].ind    = i;
2268         copy_rvec(erg->xc[i]    , data[i].x    );
2269         copy_rvec(rotg->x_ref[i], data[i].x_ref);
2270     }
2271     /* Sort the 'data' structure */
2272     gmx_qsort(data, rotg->nat, sizeof(sort_along_vec_t), projection_compare);
2273
2274     /* Copy back the sorted values */
2275     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2276     {
2277         copy_rvec(data[i].x    , erg->xc[i]           );
2278         copy_rvec(data[i].x_ref, erg->xc_ref_sorted[i]);
2279         erg->mc_sorted[i]  = data[i].m;
2280         erg->xc_sortind[i] = data[i].ind;
2281     }
2282 }
2283
2284
2285 /* For each slab, get the first and the last index of the sorted atom
2286  * indices */
2287 static void get_firstlast_atom_per_slab(t_rotgrp *rotg, t_commrec *cr)
2288 {
2289     int i,islab,n;
2290     real beta;
2291     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data */
2292
2293
2294     erg=rotg->enfrotgrp;
2295
2296     /* Find the first atom that needs to enter the calculation for each slab */
2297     n = erg->slab_first;  /* slab */
2298     i = 0; /* start with the first atom */
2299     do
2300     {
2301         /* Find the first atom that significantly contributes to this slab */
2302         do /* move forward in position until a large enough beta is found */
2303         {
2304             beta = calc_beta(erg->xc[i], rotg, n);
2305             i++;
2306         } while ((beta < -erg->max_beta) && (i < rotg->nat));
2307         i--;
2308         islab = n - erg->slab_first;  /* slab index */
2309         erg->firstatom[islab] = i;
2310         /* Proceed to the next slab */
2311         n++;
2312     } while (n <= erg->slab_last);
2313
2314     /* Find the last atom for each slab */
2315      n = erg->slab_last; /* start with last slab */
2316      i = rotg->nat-1;  /* start with the last atom */
2317      do
2318      {
2319          do /* move backward in position until a large enough beta is found */
2320          {
2321              beta = calc_beta(erg->xc[i], rotg, n);
2322              i--;
2323          } while ((beta > erg->max_beta) && (i > -1));
2324          i++;
2325          islab = n - erg->slab_first;  /* slab index */
2326          erg->lastatom[islab] = i;
2327          /* Proceed to the next slab */
2328          n--;
2329      } while (n >= erg->slab_first);
2330 }
2331
2332
2333 /* Determine the very first and very last slab that needs to be considered
2334  * For the first slab that needs to be considered, we have to find the smallest
2335  * n that obeys:
2336  *
2337  * x_first * v - n*Delta_x <= beta_max
2338  *
2339  * slab index n, slab distance Delta_x, rotation vector v. For the last slab we
2340  * have to find the largest n that obeys
2341  *
2342  * x_last * v - n*Delta_x >= -beta_max
2343  *
2344  */
2345 static gmx_inline int get_first_slab(
2346         t_rotgrp *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2347         real     max_beta,  /* The max_beta value, instead of min_gaussian */
2348         rvec     firstatom) /* First atom after sorting along the rotation vector v */
2349 {
2350     /* Find the first slab for the first atom */
2351     return ceil((iprod(firstatom, rotg->vec) - max_beta)/rotg->slab_dist);
2352 }
2353
2354
2355 static gmx_inline int get_last_slab(
2356         t_rotgrp *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2357         real     max_beta,  /* The max_beta value, instead of min_gaussian */
2358         rvec     lastatom)  /* Last atom along v */
2359 {
2360     /* Find the last slab for the last atom */
2361     return floor((iprod(lastatom, rotg->vec) + max_beta)/rotg->slab_dist);
2362 }
2363
2364
2365 static void get_firstlast_slab_check(
2366         t_rotgrp        *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2367         t_gmx_enfrotgrp *erg,      /* The rotation group (data only accessible in this file) */
2368         rvec            firstatom, /* First atom after sorting along the rotation vector v */
2369         rvec            lastatom,  /* Last atom along v */
2370         int             g,         /* The rotation group number */
2371         t_commrec       *cr)
2372 {
2373     erg->slab_first = get_first_slab(rotg, erg->max_beta, firstatom);
2374     erg->slab_last  = get_last_slab(rotg, erg->max_beta, lastatom);
2375
2376     /* Check whether we have reference data to compare against */
2377     if (erg->slab_first < erg->slab_first_ref)
2378         gmx_fatal(FARGS, "%s No reference data for first slab (n=%d), unable to proceed.",
2379                   RotStr, erg->slab_first);
2380
2381     /* Check whether we have reference data to compare against */
2382     if (erg->slab_last > erg->slab_last_ref)
2383         gmx_fatal(FARGS, "%s No reference data for last slab (n=%d), unable to proceed.",
2384                   RotStr, erg->slab_last);
2385 }
2386
2387
2388 /* Enforced rotation with a flexible axis */
2389 static void do_flexible(
2390         t_commrec *cr,
2391         gmx_enfrot_t enfrot,    /* Other rotation data                        */
2392         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2393         int       g,            /* Group number                               */
2394         rvec      x[],          /* The local positions                        */
2395         matrix    box,
2396         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2397         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2398         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2399         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2400 {
2401     int          l,nslabs;
2402     real         sigma;       /* The Gaussian width sigma */
2403     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
2404
2405
2406     erg=rotg->enfrotgrp;
2407
2408     /* Define the sigma value */
2409     sigma = 0.7*rotg->slab_dist;
2410
2411     /* Sort the collective coordinates erg->xc along the rotation vector. This is
2412      * an optimization for the inner loop. */
2413     sort_collective_coordinates(rotg, enfrot->data);
2414
2415     /* Determine the first relevant slab for the first atom and the last
2416      * relevant slab for the last atom */
2417     get_firstlast_slab_check(rotg, erg, erg->xc[0], erg->xc[rotg->nat-1], g, cr);
2418
2419     /* Determine for each slab depending on the min_gaussian cutoff criterium,
2420      * a first and a last atom index inbetween stuff needs to be calculated */
2421     get_firstlast_atom_per_slab(rotg, cr);
2422
2423     /* Determine the gaussian-weighted center of positions for all slabs */
2424     get_slab_centers(rotg,erg->xc,erg->mc_sorted,cr,g,t,enfrot->out_slabs,bOutstepSlab,FALSE);
2425
2426     /* Clear the torque per slab from last time step: */
2427     nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
2428     for (l=0; l<nslabs; l++)
2429         erg->slab_torque_v[l] = 0.0;
2430
2431     /* Call the rotational forces kernel */
2432     if (rotg->eType == erotgFLEX || rotg->eType == erotgFLEXT)
2433         erg->V = do_flex_lowlevel(rotg, sigma, x, bOutstepRot, bOutstepSlab, box, cr);
2434     else if (rotg->eType == erotgFLEX2 || rotg->eType == erotgFLEX2T)
2435         erg->V = do_flex2_lowlevel(rotg, sigma, x, bOutstepRot, bOutstepSlab, box, cr);
2436     else
2437         gmx_fatal(FARGS, "Unknown flexible rotation type");
2438
2439     /* Determine angle by RMSD fit to the reference - Let's hope this */
2440     /* only happens once in a while, since this is not parallelized! */
2441     if (MASTER(cr) && (erotgFitPOT != rotg->eFittype) )
2442     {
2443         if (bOutstepRot)
2444         {
2445             /* Fit angle of the whole rotation group */
2446             erg->angle_v = flex_fit_angle(rotg);
2447         }
2448         if (bOutstepSlab)
2449         {
2450             /* Fit angle of each slab */
2451             flex_fit_angle_perslab(g, rotg, t, erg->degangle, enfrot->out_angles);
2452         }
2453     }
2454
2455     /* Lump together the torques from all slabs: */
2456     erg->torque_v = 0.0;
2457     for (l=0; l<nslabs; l++)
2458          erg->torque_v += erg->slab_torque_v[l];
2459 }
2460
2461
2462 /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom,
2463  * both projected into a plane perpendicular to the rotation vector: */
2464 static void angle(t_rotgrp *rotg,
2465         rvec x_act,
2466         rvec x_ref,
2467         real *alpha,
2468         real *weight)  /* atoms near the rotation axis should count less than atoms far away */
2469 {
2470     rvec xp, xrp;  /* current and reference positions projected on a plane perpendicular to pg->vec */
2471     rvec dum;
2472
2473
2474     /* Project x_ref and x into a plane through the origin perpendicular to rot_vec: */
2475     /* Project x_ref: xrp = x_ref - (vec * x_ref) * vec */
2476     svmul(iprod(rotg->vec, x_ref), rotg->vec, dum);
2477     rvec_sub(x_ref, dum, xrp);
2478     /* Project x_act: */
2479     svmul(iprod(rotg->vec, x_act), rotg->vec, dum);
2480     rvec_sub(x_act, dum, xp);
2481
2482     /* Retrieve information about which vector precedes. gmx_angle always
2483      * returns a positive angle. */
2484     cprod(xp, xrp, dum); /* if reference precedes, this is pointing into the same direction as vec */
2485
2486     if (iprod(rotg->vec, dum) >= 0)
2487         *alpha = -gmx_angle(xrp, xp);
2488     else
2489         *alpha = +gmx_angle(xrp, xp);
2490
2491     /* Also return the weight */
2492     *weight = norm(xp);
2493 }
2494
2495
2496 /* Project first vector onto a plane perpendicular to the second vector
2497  * dr = dr - (dr.v)v
2498  * Note that v must be of unit length.
2499  */
2500 static gmx_inline void project_onto_plane(rvec dr, const rvec v)
2501 {
2502     rvec tmp;
2503
2504
2505     svmul(iprod(dr,v),v,tmp);  /* tmp = (dr.v)v */
2506     rvec_dec(dr, tmp);         /* dr = dr - (dr.v)v */
2507 }
2508
2509
2510 /* Fixed rotation: The rotation reference group rotates around the v axis. */
2511 /* The atoms of the actual rotation group are attached with imaginary  */
2512 /* springs to the reference atoms.                                     */
2513 static void do_fixed(
2514         t_commrec *cr,
2515         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2516         rvec      x[],          /* The positions                              */
2517         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2518         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2519         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2520         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2521         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2522 {
2523     int       ifit,j,jj,m;
2524     rvec      dr;
2525     rvec      tmp_f;           /* Force */
2526     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2527     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2528     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2529     rvec      xi_xc;           /* xi - xc */
2530     gmx_bool  bCalcPotFit;
2531     rvec      fit_xr_loc;
2532
2533     /* for mass weighting: */
2534     real      wi;              /* Mass-weighting of the positions */
2535     real      N_M;             /* N/M */
2536     real      k_wi;            /* k times wi */
2537
2538     gmx_bool  bProject;
2539
2540
2541     erg=rotg->enfrotgrp;
2542     bProject = (rotg->eType==erotgPM) || (rotg->eType==erotgPMPF);
2543     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2544
2545     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2546
2547     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2548     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2549     {
2550         /* Calculate (x_i-x_c) resp. (x_i-u) */
2551         rvec_sub(erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center, xi_xc);
2552
2553         /* Calculate Omega*(y_i-y_c)-(x_i-x_c) */
2554         rvec_sub(erg->xr_loc[j], xi_xc, dr);
2555
2556         if (bProject)
2557             project_onto_plane(dr, rotg->vec);
2558
2559         /* Mass-weighting */
2560         wi = N_M*erg->m_loc[j];
2561
2562         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2563          * array after the normal forces have been evaluated */
2564         k_wi = rotg->k*wi;
2565         for (m=0; m<DIM; m++)
2566         {
2567             tmp_f[m]             = k_wi*dr[m];
2568             erg->f_rot_loc[j][m] = tmp_f[m];
2569             erg->V              += 0.5*k_wi*sqr(dr[m]);
2570         }
2571
2572         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2573          * near the current reference angle */
2574         if (bCalcPotFit)
2575         {
2576             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2577             {
2578                 /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
2579                 jj = erg->xc_ref_ind[j];
2580
2581                 /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
2582                  * just for a single local atom */
2583                 mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], rotg->x_ref[jj], fit_xr_loc); /* fit_xr_loc = Omega*(y_i-y_c) */
2584
2585                 /* Calculate Omega*(y_i-y_c)-(x_i-x_c) */
2586                 rvec_sub(fit_xr_loc, xi_xc, dr);
2587
2588                 if (bProject)
2589                     project_onto_plane(dr, rotg->vec);
2590
2591                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
2592                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*k_wi*norm2(dr);
2593             }
2594         }
2595
2596         if (bOutstepRot)
2597         {
2598             /* Add to the torque of this rotation group */
2599             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center);
2600
2601             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2602             angle(rotg, xi_xc, erg->xr_loc[j], &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2603             erg->angle_v  += alpha * weight;
2604             erg->weight_v += weight;
2605         }
2606         /* If you want enforced rotation to contribute to the virial,
2607          * activate the following lines:
2608             if (MASTER(cr))
2609             {
2610                Add the rotation contribution to the virial
2611               for(j=0; j<DIM; j++)
2612                 for(m=0;m<DIM;m++)
2613                   vir[j][m] += 0.5*f[ii][j]*dr[m];
2614             }
2615          */
2616
2617         PRINT_FORCE_J
2618
2619     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2620 }
2621
2622
2623 /* Calculate the radial motion potential and forces */
2624 static void do_radial_motion(
2625         t_commrec *cr,
2626         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2627         rvec      x[],          /* The positions                              */
2628         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2629         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2630         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2631         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2632         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2633 {
2634     int       j,jj,ifit;
2635     rvec      tmp_f;           /* Force */
2636     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2637     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2638     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2639     rvec      xj_u;            /* xj - u */
2640     rvec      tmpvec,fit_tmpvec;
2641     real      fac,fac2,sum=0.0;
2642     rvec      pj;
2643     gmx_bool  bCalcPotFit;
2644
2645     /* For mass weighting: */
2646     real      wj;              /* Mass-weighting of the positions */
2647     real      N_M;             /* N/M */
2648
2649
2650     erg=rotg->enfrotgrp;
2651     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2652
2653     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2654
2655     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2656     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2657     {
2658         /* Calculate (xj-u) */
2659         rvec_sub(erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center, xj_u);  /* xj_u = xj-u */
2660
2661         /* Calculate Omega.(yj0-u) */
2662         cprod(rotg->vec, erg->xr_loc[j], tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-u) */
2663
2664                               /*         v x Omega.(yj0-u)     */
2665         unitv(tmpvec, pj);    /*  pj = ---------------------   */
2666                               /*       | v x Omega.(yj0-u) |   */
2667
2668         fac = iprod(pj, xj_u);  /* fac = pj.(xj-u) */
2669         fac2 = fac*fac;
2670
2671         /* Mass-weighting */
2672         wj = N_M*erg->m_loc[j];
2673
2674         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2675          * array after the normal forces have been evaluated */
2676         svmul(-rotg->k*wj*fac, pj, tmp_f);
2677         copy_rvec(tmp_f, erg->f_rot_loc[j]);
2678         sum += wj*fac2;
2679
2680         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2681          * near the current reference angle */
2682         if (bCalcPotFit)
2683         {
2684             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2685             {
2686                 /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
2687                 jj = erg->xc_ref_ind[j];
2688
2689                 /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
2690                  * just for a single local atom */
2691                 mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], rotg->x_ref[jj], fit_tmpvec); /* fit_tmpvec = Omega*(yj0-u) */
2692
2693                 /* Calculate Omega.(yj0-u) */
2694                 cprod(rotg->vec, fit_tmpvec, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-u) */
2695                                       /*         v x Omega.(yj0-u)     */
2696                 unitv(tmpvec, pj);    /*  pj = ---------------------   */
2697                                       /*       | v x Omega.(yj0-u) |   */
2698
2699                 fac = iprod(pj, xj_u);  /* fac = pj.(xj-u) */
2700                 fac2 = fac*fac;
2701
2702                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
2703                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*fac2;
2704             }
2705         }
2706
2707         if (bOutstepRot)
2708         {
2709             /* Add to the torque of this rotation group */
2710             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center);
2711
2712             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2713             angle(rotg, xj_u, erg->xr_loc[j], &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2714             erg->angle_v  += alpha * weight;
2715             erg->weight_v += weight;
2716         }
2717
2718         PRINT_FORCE_J
2719
2720     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2721     erg->V = 0.5*rotg->k*sum;
2722 }
2723
2724
2725 /* Calculate the radial motion pivot-free potential and forces */
2726 static void do_radial_motion_pf(
2727         t_commrec *cr,
2728         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2729         rvec      x[],          /* The positions                              */
2730         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2731         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2732         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2733         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2734         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2735 {
2736     int       i,ii,iigrp,ifit,j;
2737     rvec      xj;              /* Current position */
2738     rvec      xj_xc;           /* xj  - xc  */
2739     rvec      yj0_yc0;         /* yj0 - yc0 */
2740     rvec      tmp_f;           /* Force */
2741     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2742     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2743     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2744     rvec      tmpvec, tmpvec2;
2745     rvec      innersumvec;     /* Precalculation of the inner sum */
2746     rvec      innersumveckM;
2747     real      fac,fac2,V=0.0;
2748     rvec      qi,qj;
2749     gmx_bool  bCalcPotFit;
2750
2751     /* For mass weighting: */
2752     real      mj,wi,wj;        /* Mass-weighting of the positions */
2753     real      N_M;             /* N/M */
2754
2755
2756     erg=rotg->enfrotgrp;
2757     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2758
2759     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2760
2761     /* Get the current center of the rotation group: */
2762     get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2763
2764     /* Precalculate Sum_i [ wi qi.(xi-xc) qi ] which is needed for every single j */
2765     clear_rvec(innersumvec);
2766     for (i=0; i < rotg->nat; i++)
2767     {
2768         /* Mass-weighting */
2769         wi = N_M*erg->mc[i];
2770
2771         /* Calculate qi. Note that xc_ref_center has already been subtracted from
2772          * x_ref in init_rot_group.*/
2773         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[i], tmpvec);  /* tmpvec  = Omega.(yi0-yc0) */
2774
2775         cprod(rotg->vec, tmpvec, tmpvec2);          /* tmpvec2 = v x Omega.(yi0-yc0) */
2776
2777                               /*         v x Omega.(yi0-yc0)     */
2778         unitv(tmpvec2, qi);   /*  qi = -----------------------   */
2779                               /*       | v x Omega.(yi0-yc0) |   */
2780
2781         rvec_sub(erg->xc[i], erg->xc_center, tmpvec);  /* tmpvec = xi-xc */
2782
2783         svmul(wi*iprod(qi, tmpvec), qi, tmpvec2);
2784
2785         rvec_inc(innersumvec, tmpvec2);
2786     }
2787     svmul(rotg->k*erg->invmass, innersumvec, innersumveckM);
2788
2789     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2790     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2791     {
2792         /* Local index of a rotation group atom  */
2793         ii = erg->ind_loc[j];
2794         /* Position of this atom in the collective array */
2795         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2796         /* Mass-weighting */
2797         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
2798         wj = N_M*mj;
2799
2800         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ] */
2801         copy_rvec(x[ii], xj);
2802
2803         /* Shift this atom such that it is near its reference */
2804         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
2805
2806         /* The (unrotated) reference position is yj0. yc0 has already
2807          * been subtracted in init_rot_group */
2808         copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0_yc0);   /* yj0_yc0 = yj0 - yc0      */
2809
2810         /* Calculate Omega.(yj0-yc0) */
2811         mvmul(erg->rotmat, yj0_yc0, tmpvec2);     /* tmpvec2 = Omega.(yj0 - yc0)  */
2812
2813         cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-yc0) */
2814
2815                               /*         v x Omega.(yj0-yc0)     */
2816         unitv(tmpvec, qj);    /*  qj = -----------------------   */
2817                               /*       | v x Omega.(yj0-yc0) |   */
2818
2819         /* Calculate (xj-xc) */
2820         rvec_sub(xj, erg->xc_center, xj_xc);  /* xj_xc = xj-xc */
2821
2822         fac = iprod(qj, xj_xc);  /* fac = qj.(xj-xc) */
2823         fac2 = fac*fac;
2824
2825         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2826          * array after the normal forces have been evaluated */
2827         svmul(-rotg->k*wj*fac, qj, tmp_f); /* part 1 of force */
2828         svmul(mj, innersumveckM, tmpvec);  /* part 2 of force */
2829         rvec_inc(tmp_f, tmpvec);
2830         copy_rvec(tmp_f, erg->f_rot_loc[j]);
2831         V += wj*fac2;
2832
2833         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2834          * near the current reference angle */
2835         if (bCalcPotFit)
2836         {
2837             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2838             {
2839                 /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
2840                  * just for a single local atom */
2841                 mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_yc0, tmpvec2); /* tmpvec2 = Omega*(yj0-yc0) */
2842
2843                 /* Calculate Omega.(yj0-u) */
2844                 cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-yc0) */
2845                                       /*         v x Omega.(yj0-yc0)     */
2846                 unitv(tmpvec, qj);    /*  qj = -----------------------   */
2847                                       /*       | v x Omega.(yj0-yc0) |   */
2848
2849                 fac = iprod(qj, xj_xc);  /* fac = qj.(xj-xc) */
2850                 fac2 = fac*fac;
2851
2852                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
2853                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*fac2;
2854             }
2855         }
2856
2857         if (bOutstepRot)
2858         {
2859             /* Add to the torque of this rotation group */
2860             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, xj, erg->xc_center);
2861
2862             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2863             angle(rotg, xj_xc, yj0_yc0, &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2864             erg->angle_v  += alpha * weight;
2865             erg->weight_v += weight;
2866         }
2867
2868         PRINT_FORCE_J
2869
2870     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2871     erg->V = 0.5*rotg->k*V;
2872 }
2873
2874
2875 /* Precalculate the inner sum for the radial motion 2 forces */
2876 static void radial_motion2_precalc_inner_sum(t_rotgrp  *rotg, rvec innersumvec)
2877 {
2878     int       i;
2879     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2880     rvec      xi_xc;           /* xj - xc */
2881     rvec      tmpvec,tmpvec2;
2882     real      fac,fac2;
2883     rvec      ri,si;
2884     real      siri;
2885     rvec      v_xi_xc;          /* v x (xj - u) */
2886     real      psii,psiistar;
2887     real      wi;              /* Mass-weighting of the positions */
2888     real      N_M;             /* N/M */
2889     rvec      sumvec;
2890
2891     erg=rotg->enfrotgrp;
2892     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2893
2894     /* Loop over the collective set of positions */
2895     clear_rvec(sumvec);
2896     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2897     {
2898         /* Mass-weighting */
2899         wi = N_M*erg->mc[i];
2900
2901         rvec_sub(erg->xc[i], erg->xc_center, xi_xc); /* xi_xc = xi-xc         */
2902
2903         /* Calculate ri. Note that xc_ref_center has already been subtracted from
2904          * x_ref in init_rot_group.*/
2905         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[i], ri);      /* ri  = Omega.(yi0-yc0) */
2906
2907         cprod(rotg->vec, xi_xc, v_xi_xc);            /* v_xi_xc = v x (xi-u)  */
2908
2909         fac = norm2(v_xi_xc);
2910                                           /*                      1           */
2911         psiistar = 1.0/(fac + rotg->eps); /* psiistar = --------------------- */
2912                                           /*            |v x (xi-xc)|^2 + eps */
2913
2914         psii = gmx_invsqrt(fac);          /*                 1                */
2915                                           /*  psii    = -------------         */
2916                                           /*            |v x (xi-xc)|         */
2917
2918         svmul(psii, v_xi_xc, si);          /*  si = psii * (v x (xi-xc) )     */
2919
2920         fac = iprod(v_xi_xc, ri);                   /* fac = (v x (xi-xc)).ri */
2921         fac2 = fac*fac;
2922
2923         siri = iprod(si, ri);                       /* siri = si.ri           */
2924
2925         svmul(psiistar/psii, ri, tmpvec);
2926         svmul(psiistar*psiistar/(psii*psii*psii) * siri, si, tmpvec2);
2927         rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
2928         cprod(tmpvec, rotg->vec, tmpvec2);
2929
2930         svmul(wi*siri, tmpvec2, tmpvec);
2931
2932         rvec_inc(sumvec, tmpvec);
2933     }
2934     svmul(rotg->k*erg->invmass, sumvec, innersumvec);
2935 }
2936
2937
2938 /* Calculate the radial motion 2 potential and forces */
2939 static void do_radial_motion2(
2940         t_commrec *cr,
2941         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2942         rvec      x[],          /* The positions                              */
2943         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2944         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2945         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2946         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2947         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2948 {
2949     int       ii,iigrp,ifit,j;
2950     rvec      xj;              /* Position */
2951     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2952     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2953     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2954     rvec      xj_u;            /* xj - u */
2955     rvec      yj0_yc0;         /* yj0 -yc0 */
2956     rvec      tmpvec,tmpvec2;
2957     real      fac,fit_fac,fac2,Vpart=0.0;
2958     rvec      rj,fit_rj,sj;
2959     real      sjrj;
2960     rvec      v_xj_u;          /* v x (xj - u) */
2961     real      psij,psijstar;
2962     real      mj,wj;           /* For mass-weighting of the positions */
2963     real      N_M;             /* N/M */
2964     gmx_bool  bPF;
2965     rvec      innersumvec;
2966     gmx_bool  bCalcPotFit;
2967
2968
2969     erg=rotg->enfrotgrp;
2970
2971     bPF = rotg->eType==erotgRM2PF;
2972     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2973
2974
2975     clear_rvec(yj0_yc0); /* Make the compiler happy */
2976
2977     clear_rvec(innersumvec);
2978     if (bPF)
2979     {
2980         /* For the pivot-free variant we have to use the current center of
2981          * mass of the rotation group instead of the pivot u */
2982         get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2983
2984         /* Also, we precalculate the second term of the forces that is identical
2985          * (up to the weight factor mj) for all forces */
2986         radial_motion2_precalc_inner_sum(rotg,innersumvec);
2987     }
2988
2989     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2990
2991     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2992     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2993     {
2994         if (bPF)
2995         {
2996             /* Local index of a rotation group atom  */
2997             ii = erg->ind_loc[j];
2998             /* Position of this atom in the collective array */
2999             iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
3000             /* Mass-weighting */
3001             mj = erg->mc[iigrp];
3002
3003             /* Current position of this atom: x[ii] */
3004             copy_rvec(x[ii], xj);
3005
3006             /* Shift this atom such that it is near its reference */
3007             shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
3008
3009             /* The (unrotated) reference position is yj0. yc0 has already
3010              * been subtracted in init_rot_group */
3011             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0_yc0);   /* yj0_yc0 = yj0 - yc0  */
3012
3013             /* Calculate Omega.(yj0-yc0) */
3014             mvmul(erg->rotmat, yj0_yc0, rj);         /* rj = Omega.(yj0-yc0)  */
3015         }
3016         else
3017         {
3018             mj = erg->m_loc[j];
3019             copy_rvec(erg->x_loc_pbc[j], xj);
3020             copy_rvec(erg->xr_loc[j], rj);           /* rj = Omega.(yj0-u)    */
3021         }
3022         /* Mass-weighting */
3023         wj = N_M*mj;
3024
3025         /* Calculate (xj-u) resp. (xj-xc) */
3026         rvec_sub(xj, erg->xc_center, xj_u);          /* xj_u = xj-u           */
3027
3028         cprod(rotg->vec, xj_u, v_xj_u);              /* v_xj_u = v x (xj-u)   */
3029
3030         fac = norm2(v_xj_u);
3031                                           /*                      1           */
3032         psijstar = 1.0/(fac + rotg->eps); /*  psistar = --------------------  */
3033                                           /*            |v x (xj-u)|^2 + eps  */
3034
3035         psij = gmx_invsqrt(fac);          /*                 1                */
3036                                           /*  psij    = ------------          */
3037                                           /*            |v x (xj-u)|          */
3038
3039         svmul(psij, v_xj_u, sj);          /*  sj = psij * (v x (xj-u) )       */
3040
3041         fac = iprod(v_xj_u, rj);                     /* fac = (v x (xj-u)).rj */
3042         fac2 = fac*fac;
3043
3044         sjrj = iprod(sj, rj);                        /* sjrj = sj.rj          */
3045
3046         svmul(psijstar/psij, rj, tmpvec);
3047         svmul(psijstar*psijstar/(psij*psij*psij) * sjrj, sj, tmpvec2);
3048         rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
3049         cprod(tmpvec, rotg->vec, tmpvec2);
3050
3051         /* Store the additional force so that it can be added to the force
3052          * array after the normal forces have been evaluated */
3053         svmul(-rotg->k*wj*sjrj, tmpvec2, tmpvec);
3054         svmul(mj, innersumvec, tmpvec2);  /* This is != 0 only for the pivot-free variant */
3055
3056         rvec_add(tmpvec2, tmpvec, erg->f_rot_loc[j]);
3057         Vpart += wj*psijstar*fac2;
3058
3059         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
3060          * near the current reference angle */
3061         if (bCalcPotFit)
3062         {
3063             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
3064             {
3065                 if (bPF)
3066                 {
3067                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_yc0, fit_rj); /* fit_rj = Omega.(yj0-yc0) */
3068                 }
3069                 else
3070                 {
3071                     /* Position of this atom in the collective array */
3072                     iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
3073                     /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
3074                      * just for a single local atom */
3075                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], rotg->x_ref[iigrp], fit_rj); /* fit_rj = Omega*(yj0-u) */
3076                 }
3077                 fit_fac = iprod(v_xj_u, fit_rj); /* fac = (v x (xj-u)).fit_rj */
3078                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
3079                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*psijstar*fit_fac*fit_fac;
3080             }
3081         }
3082
3083         if (bOutstepRot)
3084         {
3085             /* Add to the torque of this rotation group */
3086             erg->torque_v += torque(rotg->vec, erg->f_rot_loc[j], xj, erg->xc_center);
3087
3088             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
3089             angle(rotg, xj_u, rj, &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
3090             erg->angle_v  += alpha * weight;
3091             erg->weight_v += weight;
3092         }
3093
3094         PRINT_FORCE_J
3095
3096     } /* end of loop over local rotation group atoms */
3097     erg->V = 0.5*rotg->k*Vpart;
3098 }
3099
3100
3101 /* Determine the smallest and largest position vector (with respect to the
3102  * rotation vector) for the reference group */
3103 static void get_firstlast_atom_ref(
3104         t_rotgrp  *rotg,
3105         int       *firstindex,
3106         int       *lastindex)
3107 {
3108     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
3109     int i;
3110     real xcproj;               /* The projection of a reference position on the
3111                                   rotation vector */
3112     real minproj, maxproj;     /* Smallest and largest projection on v */
3113
3114
3115
3116     erg=rotg->enfrotgrp;
3117
3118     /* Start with some value */
3119     minproj = iprod(rotg->x_ref[0], rotg->vec);
3120     maxproj = minproj;
3121
3122     /* This is just to ensure that it still works if all the atoms of the
3123      * reference structure are situated in a plane perpendicular to the rotation
3124      * vector */
3125     *firstindex = 0;
3126     *lastindex  = rotg->nat-1;
3127
3128     /* Loop over all atoms of the reference group,
3129      * project them on the rotation vector to find the extremes */
3130     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3131     {
3132         xcproj = iprod(rotg->x_ref[i], rotg->vec);
3133         if (xcproj < minproj)
3134         {
3135             minproj = xcproj;
3136             *firstindex = i;
3137         }
3138         if (xcproj > maxproj)
3139         {
3140             maxproj = xcproj;
3141             *lastindex = i;
3142         }
3143     }
3144 }
3145
3146
3147 /* Allocate memory for the slabs */
3148 static void allocate_slabs(
3149         t_rotgrp  *rotg,
3150         FILE      *fplog,
3151         int       g,
3152         gmx_bool  bVerbose,
3153         t_commrec *cr)
3154 {
3155     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3156     int i, nslabs;
3157
3158
3159     erg=rotg->enfrotgrp;
3160
3161     /* More slabs than are defined for the reference are never needed */
3162     nslabs = erg->slab_last_ref - erg->slab_first_ref + 1;
3163
3164     /* Remember how many we allocated */
3165     erg->nslabs_alloc = nslabs;
3166
3167     if (MASTER(cr) && bVerbose)
3168         fprintf(fplog, "%s allocating memory to store data for %d slabs (rotation group %d).\n",
3169                 RotStr, nslabs,g);
3170     snew(erg->slab_center     , nslabs);
3171     snew(erg->slab_center_ref , nslabs);
3172     snew(erg->slab_weights    , nslabs);
3173     snew(erg->slab_torque_v   , nslabs);
3174     snew(erg->slab_data       , nslabs);
3175     snew(erg->gn_atom         , nslabs);
3176     snew(erg->gn_slabind      , nslabs);
3177     snew(erg->slab_innersumvec, nslabs);
3178     for (i=0; i<nslabs; i++)
3179     {
3180         snew(erg->slab_data[i].x     , rotg->nat);
3181         snew(erg->slab_data[i].ref   , rotg->nat);
3182         snew(erg->slab_data[i].weight, rotg->nat);
3183     }
3184     snew(erg->xc_ref_sorted, rotg->nat);
3185     snew(erg->xc_sortind   , rotg->nat);
3186     snew(erg->firstatom    , nslabs);
3187     snew(erg->lastatom     , nslabs);
3188 }
3189
3190
3191 /* From the extreme coordinates of the reference group, determine the first
3192  * and last slab of the reference. We can never have more slabs in the real
3193  * simulation than calculated here for the reference.
3194  */
3195 static void get_firstlast_slab_ref(t_rotgrp *rotg, real mc[], int ref_firstindex, int ref_lastindex)
3196 {
3197     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3198     int first,last,firststart;
3199     rvec dummy;
3200
3201
3202     erg=rotg->enfrotgrp;
3203     first = get_first_slab(rotg, erg->max_beta, rotg->x_ref[ref_firstindex]);
3204     last  = get_last_slab( rotg, erg->max_beta, rotg->x_ref[ref_lastindex ]);
3205     firststart = first;
3206
3207     while (get_slab_weight(first, rotg, rotg->x_ref, mc, &dummy) > WEIGHT_MIN)
3208     {
3209         first--;
3210     }
3211     erg->slab_first_ref = first+1;
3212     while (get_slab_weight(last, rotg, rotg->x_ref, mc, &dummy) > WEIGHT_MIN)
3213     {
3214         last++;
3215     }
3216     erg->slab_last_ref  = last-1;
3217
3218     erg->slab_buffer = firststart - erg->slab_first_ref;
3219 }
3220
3221
3222
3223 static void init_rot_group(FILE *fplog,t_commrec *cr,int g,t_rotgrp *rotg,
3224         rvec *x,gmx_mtop_t *mtop,gmx_bool bVerbose,FILE *out_slabs, gmx_bool bOutputCenters)
3225 {
3226     int i,ii;
3227     rvec        coord,*xdum;
3228     gmx_bool    bFlex,bColl;
3229     t_atom      *atom;
3230     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3231     int         ref_firstindex, ref_lastindex;
3232     real        mass,totalmass;
3233     real        start=0.0;
3234
3235
3236     /* Do we have a flexible axis? */
3237     bFlex = ISFLEX(rotg);
3238     /* Do we use a global set of coordinates? */
3239     bColl = ISCOLL(rotg);
3240
3241     erg=rotg->enfrotgrp;
3242
3243     /* Allocate space for collective coordinates if needed */
3244     if (bColl)
3245     {
3246         snew(erg->xc        , rotg->nat);
3247         snew(erg->xc_shifts , rotg->nat);
3248         snew(erg->xc_eshifts, rotg->nat);
3249
3250         /* Save the original (whole) set of positions such that later the
3251          * molecule can always be made whole again */
3252         snew(erg->xc_old    , rotg->nat);
3253         if (MASTER(cr))
3254         {
3255             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3256             {
3257                 ii = rotg->ind[i];
3258                 copy_rvec(x[ii], erg->xc_old[i]);
3259             }
3260         }
3261 #ifdef GMX_MPI
3262         if (PAR(cr))
3263             gmx_bcast(rotg->nat*sizeof(erg->xc_old[0]),erg->xc_old, cr);
3264 #endif
3265
3266         if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
3267         {
3268             snew(erg->xc_ref_length, rotg->nat); /* in case fit type NORM is chosen */
3269             snew(erg->xc_norm      , rotg->nat);
3270         }
3271     }
3272     else
3273     {
3274         snew(erg->xr_loc   , rotg->nat);
3275         snew(erg->x_loc_pbc, rotg->nat);
3276     }
3277
3278     snew(erg->f_rot_loc , rotg->nat);
3279     snew(erg->xc_ref_ind, rotg->nat);
3280
3281     /* Make space for the calculation of the potential at other angles (used
3282      * for fitting only) */
3283     if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
3284     {
3285         snew(erg->PotAngleFit, 1);
3286         snew(erg->PotAngleFit->degangle, rotg->PotAngle_nstep);
3287         snew(erg->PotAngleFit->V       , rotg->PotAngle_nstep);
3288         snew(erg->PotAngleFit->rotmat  , rotg->PotAngle_nstep);
3289
3290         /* Get the set of angles around the reference angle */
3291         start = -0.5 * (rotg->PotAngle_nstep - 1)*rotg->PotAngle_step;
3292         for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
3293             erg->PotAngleFit->degangle[i] = start + i*rotg->PotAngle_step;
3294     }
3295     else
3296     {
3297         erg->PotAngleFit = NULL;
3298     }
3299
3300     /* xc_ref_ind needs to be set to identity in the serial case */
3301     if (!PAR(cr))
3302         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3303             erg->xc_ref_ind[i] = i;
3304
3305     /* Copy the masses so that the center can be determined. For all types of
3306      * enforced rotation, we store the masses in the erg->mc array. */
3307     snew(erg->mc, rotg->nat);
3308     if (bFlex)
3309         snew(erg->mc_sorted, rotg->nat);
3310     if (!bColl)
3311         snew(erg->m_loc, rotg->nat);
3312     totalmass=0.0;
3313     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3314     {
3315         if (rotg->bMassW)
3316         {
3317             gmx_mtop_atomnr_to_atom(mtop,rotg->ind[i],&atom);
3318             mass=atom->m;
3319         }
3320         else
3321         {
3322             mass=1.0;
3323         }
3324         erg->mc[i] = mass;
3325         totalmass += mass;
3326     }
3327     erg->invmass = 1.0/totalmass;
3328
3329     /* Set xc_ref_center for any rotation potential */
3330     if ((rotg->eType==erotgISO) || (rotg->eType==erotgPM) || (rotg->eType==erotgRM) || (rotg->eType==erotgRM2))
3331     {
3332         /* Set the pivot point for the fixed, stationary-axis potentials. This
3333          * won't change during the simulation */
3334         copy_rvec(rotg->pivot, erg->xc_ref_center);
3335         copy_rvec(rotg->pivot, erg->xc_center    );
3336     }
3337     else
3338     {
3339         /* Center of the reference positions */
3340         get_center(rotg->x_ref, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_ref_center);
3341
3342         /* Center of the actual positions */
3343         if (MASTER(cr))
3344         {
3345             snew(xdum, rotg->nat);
3346             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3347             {
3348                 ii = rotg->ind[i];
3349                 copy_rvec(x[ii], xdum[i]);
3350             }
3351             get_center(xdum, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
3352             sfree(xdum);
3353         }
3354 #ifdef GMX_MPI
3355         if (PAR(cr))
3356             gmx_bcast(sizeof(erg->xc_center), erg->xc_center, cr);
3357 #endif
3358     }
3359
3360     if ( (rotg->eType != erotgFLEX) && (rotg->eType != erotgFLEX2) )
3361     {
3362         /* Put the reference positions into origin: */
3363         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3364             rvec_dec(rotg->x_ref[i], erg->xc_ref_center);
3365     }
3366
3367     /* Enforced rotation with flexible axis */
3368     if (bFlex)
3369     {
3370         /* Calculate maximum beta value from minimum gaussian (performance opt.) */
3371         erg->max_beta = calc_beta_max(rotg->min_gaussian, rotg->slab_dist);
3372
3373         /* Determine the smallest and largest coordinate with respect to the rotation vector */
3374         get_firstlast_atom_ref(rotg, &ref_firstindex, &ref_lastindex);
3375
3376         /* From the extreme coordinates of the reference group, determine the first
3377          * and last slab of the reference. */
3378         get_firstlast_slab_ref(rotg, erg->mc, ref_firstindex, ref_lastindex);
3379
3380         /* Allocate memory for the slabs */
3381         allocate_slabs(rotg, fplog, g, bVerbose, cr);
3382
3383         /* Flexible rotation: determine the reference centers for the rest of the simulation */
3384         erg->slab_first = erg->slab_first_ref;
3385         erg->slab_last = erg->slab_last_ref;
3386         get_slab_centers(rotg,rotg->x_ref,erg->mc,cr,g,-1,out_slabs,bOutputCenters,TRUE);
3387
3388         /* Length of each x_rotref vector from center (needed if fit routine NORM is chosen): */
3389         if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
3390         {
3391             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3392             {
3393                 rvec_sub(rotg->x_ref[i], erg->xc_ref_center, coord);
3394                 erg->xc_ref_length[i] = norm(coord);
3395             }
3396         }
3397     }
3398 }
3399
3400
3401 extern void dd_make_local_rotation_groups(gmx_domdec_t *dd,t_rot *rot)
3402 {
3403     gmx_ga2la_t ga2la;
3404     int g;
3405     t_rotgrp *rotg;
3406     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3407
3408     ga2la = dd->ga2la;
3409
3410     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3411     {
3412         rotg = &rot->grp[g];
3413         erg  = rotg->enfrotgrp;
3414
3415
3416         dd_make_local_group_indices(ga2la,rotg->nat,rotg->ind,
3417                 &erg->nat_loc,&erg->ind_loc,&erg->nalloc_loc,erg->xc_ref_ind);
3418     }
3419 }
3420
3421
3422 /* Calculate the size of the MPI buffer needed in reduce_output() */
3423 static int calc_mpi_bufsize(t_rot *rot)
3424 {
3425     int g;
3426     int count_group, count_total;
3427     t_rotgrp *rotg;
3428     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3429
3430
3431     count_total = 0;
3432     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
3433     {
3434         rotg = &rot->grp[g];
3435         erg  = rotg->enfrotgrp;
3436
3437         /* Count the items that are transferred for this group: */
3438         count_group = 4; /* V, torque, angle, weight */
3439
3440         /* Add the maximum number of slabs for flexible groups */
3441         if (ISFLEX(rotg))
3442             count_group += erg->slab_last_ref - erg->slab_first_ref + 1;
3443
3444         /* Add space for the potentials at different angles: */
3445         if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
3446             count_group += rotg->PotAngle_nstep;
3447
3448         /* Add to the total number: */
3449         count_total += count_group;
3450     }
3451
3452     return count_total;
3453 }
3454
3455
3456 extern void init_rot(FILE *fplog,t_inputrec *ir,int nfile,const t_filenm fnm[],
3457         t_commrec *cr, rvec *x, matrix box, gmx_mtop_t *mtop, const output_env_t oenv,
3458         gmx_bool bVerbose, unsigned long Flags)
3459 {
3460     t_rot    *rot;
3461     t_rotgrp *rotg;
3462     int      g;
3463     int      nat_max=0;     /* Size of biggest rotation group */
3464     gmx_enfrot_t er;        /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3465     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
3466     rvec     *x_pbc=NULL;   /* Space for the pbc-correct atom positions */
3467
3468
3469     if ( (PAR(cr)) && !DOMAINDECOMP(cr) )
3470         gmx_fatal(FARGS, "Enforced rotation is only implemented for domain decomposition!");
3471
3472     if ( MASTER(cr) && bVerbose)
3473         fprintf(stdout, "%s Initializing ...\n", RotStr);
3474
3475
3476     rot = ir->rot;
3477     snew(rot->enfrot, 1);
3478     er = rot->enfrot;
3479     er->Flags = Flags;
3480
3481     /* When appending, skip first output to avoid duplicate entries in the data files */
3482     if (er->Flags & MD_APPENDFILES)
3483         er->bOut = FALSE;
3484     else
3485         er->bOut = TRUE;
3486
3487     /* Output every step for reruns */
3488     if (er->Flags & MD_RERUN)
3489     {
3490         if (fplog)
3491             fprintf(fplog, "%s rerun - will write rotation output every available step.\n", RotStr);
3492         rot->nstrout = 1;
3493         rot->nstsout = 1;
3494     }
3495
3496     er->out_slabs = NULL;
3497     if ( MASTER(cr) && HaveFlexibleGroups(rot) )
3498         er->out_slabs = open_slab_out(opt2fn("-rs",nfile,fnm), rot, oenv);
3499
3500     if (MASTER(cr))
3501     {
3502         /* Remove pbc, make molecule whole.
3503          * When ir->bContinuation=TRUE this has already been done, but ok. */
3504         snew(x_pbc,mtop->natoms);
3505         m_rveccopy(mtop->natoms,x,x_pbc);
3506         do_pbc_first_mtop(NULL,ir->ePBC,box,mtop,x_pbc);
3507     }
3508
3509     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
3510     {
3511         rotg = &rot->grp[g];
3512
3513         if (fplog)
3514             fprintf(fplog,"%s group %d type '%s'\n", RotStr, g, erotg_names[rotg->eType]);
3515
3516         if (rotg->nat > 0)
3517         {
3518             /* Allocate space for the rotation group's data: */
3519             snew(rotg->enfrotgrp, 1);
3520             erg  = rotg->enfrotgrp;
3521
3522             nat_max=max(nat_max, rotg->nat);
3523
3524             if (PAR(cr))
3525             {
3526                 erg->nat_loc    = 0;
3527                 erg->nalloc_loc = 0;
3528                 erg->ind_loc    = NULL;
3529             }
3530             else
3531             {
3532                 erg->nat_loc = rotg->nat;
3533                 erg->ind_loc = rotg->ind;
3534             }
3535             init_rot_group(fplog,cr,g,rotg,x_pbc,mtop,bVerbose,er->out_slabs,
3536                            !(er->Flags & MD_APPENDFILES) ); /* Do not output the reference centers
3537                                                              * again if we are appending */
3538         }
3539     }
3540
3541     /* Allocate space for enforced rotation buffer variables */
3542     er->bufsize = nat_max;
3543     snew(er->data, nat_max);
3544     snew(er->xbuf, nat_max);
3545     snew(er->mbuf, nat_max);
3546
3547     /* Buffers for MPI reducing torques, angles, weights (for each group), and V */
3548     if (PAR(cr))
3549     {
3550         er->mpi_bufsize = calc_mpi_bufsize(rot) + 100; /* larger to catch errors */
3551         snew(er->mpi_inbuf , er->mpi_bufsize);
3552         snew(er->mpi_outbuf, er->mpi_bufsize);
3553     }
3554     else
3555     {
3556         er->mpi_bufsize = 0;
3557         er->mpi_inbuf = NULL;
3558         er->mpi_outbuf = NULL;
3559     }
3560
3561     /* Only do I/O on the MASTER */
3562     er->out_angles  = NULL;
3563     er->out_rot     = NULL;
3564     er->out_torque  = NULL;
3565     if (MASTER(cr))
3566     {
3567         er->out_rot = open_rot_out(opt2fn("-ro",nfile,fnm), rot, oenv);
3568
3569         if (rot->nstsout > 0)
3570         {
3571             if ( HaveFlexibleGroups(rot) || HavePotFitGroups(rot) )
3572                 er->out_angles  = open_angles_out(opt2fn("-ra",nfile,fnm), rot, oenv);
3573             if ( HaveFlexibleGroups(rot) )
3574                 er->out_torque  = open_torque_out(opt2fn("-rt",nfile,fnm), rot, oenv);
3575         }
3576
3577         sfree(x_pbc);
3578     }
3579 }
3580
3581
3582 extern void finish_rot(FILE *fplog,t_rot *rot)
3583 {
3584     gmx_enfrot_t er;        /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3585
3586
3587     er=rot->enfrot;
3588     if (er->out_rot)
3589         gmx_fio_fclose(er->out_rot);
3590     if (er->out_slabs)
3591         gmx_fio_fclose(er->out_slabs);
3592     if (er->out_angles)
3593         gmx_fio_fclose(er->out_angles);
3594     if (er->out_torque)
3595         gmx_fio_fclose(er->out_torque);
3596 }
3597
3598
3599 /* Rotate the local reference positions and store them in
3600  * erg->xr_loc[0...(nat_loc-1)]
3601  *
3602  * Note that we already subtracted u or y_c from the reference positions
3603  * in init_rot_group().
3604  */
3605 static void rotate_local_reference(t_rotgrp *rotg)
3606 {
3607     gmx_enfrotgrp_t erg;
3608     int i,ii;
3609
3610
3611     erg=rotg->enfrotgrp;
3612
3613     for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3614     {
3615         /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
3616         ii = erg->xc_ref_ind[i];
3617         /* Rotate */
3618         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[ii], erg->xr_loc[i]);
3619     }
3620 }
3621
3622
3623 /* Select the PBC representation for each local x position and store that
3624  * for later usage. We assume the right PBC image of an x is the one nearest to
3625  * its rotated reference */
3626 static void choose_pbc_image(rvec x[], t_rotgrp *rotg, matrix box, int npbcdim)
3627 {
3628     int d,i,ii,m;
3629     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
3630     rvec xref,xcurr,dx;
3631     ivec shift;
3632
3633
3634     erg=rotg->enfrotgrp;
3635
3636     for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3637     {
3638         clear_ivec(shift);
3639
3640         /* Index of a rotation group atom  */
3641         ii = erg->ind_loc[i];
3642
3643         /* Get the reference position. The pivot was already
3644          * subtracted in init_rot_group() from the reference positions. Also,
3645          * the reference positions have already been rotated in
3646          * rotate_local_reference() */
3647         copy_rvec(erg->xr_loc[i], xref);
3648
3649         /* Subtract the (old) center from the current positions
3650          * (just to determine the shifts!) */
3651         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xcurr);
3652
3653         /* Shortest PBC distance between the atom and its reference */
3654         rvec_sub(xcurr, xref, dx);
3655
3656         /* Determine the shift for this atom */
3657         for(m=npbcdim-1; m>=0; m--)
3658         {
3659             while (dx[m] < -0.5*box[m][m])
3660             {
3661                 for(d=0; d<DIM; d++)
3662                     dx[d] += box[m][d];
3663                 shift[m]++;
3664             }
3665             while (dx[m] >= 0.5*box[m][m])
3666             {
3667                 for(d=0; d<DIM; d++)
3668                     dx[d] -= box[m][d];
3669                 shift[m]--;
3670             }
3671         }
3672
3673         /* Apply the shift to the current atom */
3674         copy_rvec(x[ii], erg->x_loc_pbc[i]);
3675         shift_single_coord(box, erg->x_loc_pbc[i], shift);
3676     }
3677 }
3678
3679
3680 extern void do_rotation(
3681         t_commrec *cr,
3682         t_inputrec *ir,
3683         matrix box,
3684         rvec x[],
3685         real t,
3686         gmx_large_int_t step,
3687         gmx_wallcycle_t wcycle,
3688         gmx_bool bNS)
3689 {
3690     int      g,i,ii;
3691     t_rot    *rot;
3692     t_rotgrp *rotg;
3693     gmx_bool outstep_slab, outstep_rot;
3694     gmx_bool bFlex,bColl;
3695     double   cycles_rot;
3696     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3697     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
3698     rvec     transvec;
3699     t_gmx_potfit *fit=NULL;     /* For fit type 'potential' determine the fit
3700                                    angle via the potential minimum            */
3701 #ifdef TAKETIME
3702     double t0;
3703 #endif
3704
3705
3706     rot=ir->rot;
3707     er=rot->enfrot;
3708
3709     /* When to output in main rotation output file */
3710     outstep_rot  = do_per_step(step, rot->nstrout) && er->bOut;
3711     /* When to output per-slab data */
3712     outstep_slab = do_per_step(step, rot->nstsout) && er->bOut;
3713
3714     /* Output time into rotation output file */
3715     if (outstep_rot && MASTER(cr))
3716         fprintf(er->out_rot, "%12.3e",t);
3717
3718     /**************************************************************************/
3719     /* First do ALL the communication! */
3720     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3721     {
3722         rotg = &rot->grp[g];
3723         erg=rotg->enfrotgrp;
3724
3725         /* Do we have a flexible axis? */
3726         bFlex = ISFLEX(rotg);
3727         /* Do we use a collective (global) set of coordinates? */
3728         bColl = ISCOLL(rotg);
3729
3730         /* Calculate the rotation matrix for this angle: */
3731         erg->degangle = rotg->rate * t;
3732         calc_rotmat(rotg->vec,erg->degangle,erg->rotmat);
3733
3734         if (bColl)
3735         {
3736             /* Transfer the rotation group's positions such that every node has
3737              * all of them. Every node contributes its local positions x and stores
3738              * it in the collective erg->xc array. */
3739             communicate_group_positions(cr,erg->xc, erg->xc_shifts, erg->xc_eshifts, bNS,
3740                     x, rotg->nat, erg->nat_loc, erg->ind_loc, erg->xc_ref_ind, erg->xc_old, box);
3741         }
3742         else
3743         {
3744             /* Fill the local masses array;
3745              * this array changes in DD/neighborsearching steps */
3746             if (bNS)
3747             {
3748                 for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3749                 {
3750                     /* Index of local atom w.r.t. the collective rotation group */
3751                     ii = erg->xc_ref_ind[i];
3752                     erg->m_loc[i] = erg->mc[ii];
3753                 }
3754             }
3755
3756             /* Calculate Omega*(y_i-y_c) for the local positions */
3757             rotate_local_reference(rotg);
3758
3759             /* Choose the nearest PBC images of the group atoms with respect
3760              * to the rotated reference positions */
3761             choose_pbc_image(x, rotg, box, 3);
3762
3763             /* Get the center of the rotation group */
3764             if ( (rotg->eType==erotgISOPF) || (rotg->eType==erotgPMPF) )
3765                 get_center_comm(cr, erg->x_loc_pbc, erg->m_loc, erg->nat_loc, rotg->nat, erg->xc_center);
3766         }
3767
3768     } /* End of loop over rotation groups */
3769
3770     /**************************************************************************/
3771     /* Done communicating, we can start to count cycles now ... */
3772     wallcycle_start(wcycle, ewcROT);
3773
3774 #ifdef TAKETIME
3775     t0 = MPI_Wtime();
3776 #endif
3777
3778     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3779     {
3780         rotg = &rot->grp[g];
3781         erg=rotg->enfrotgrp;
3782
3783         bFlex = ISFLEX(rotg);
3784         bColl = ISCOLL(rotg);
3785
3786         if (outstep_rot && MASTER(cr))
3787             fprintf(er->out_rot, "%12.4f", erg->degangle);
3788
3789         /* Calculate angles and rotation matrices for potential fitting: */
3790         if ( (outstep_rot || outstep_slab) && (erotgFitPOT == rotg->eFittype) )
3791         {
3792             fit = erg->PotAngleFit;
3793             for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
3794             {
3795                 calc_rotmat(rotg->vec, erg->degangle + fit->degangle[i], fit->rotmat[i]);
3796
3797                 /* Clear value from last step */
3798                 erg->PotAngleFit->V[i] = 0.0;
3799             }
3800         }
3801
3802         /* Clear values from last time step */
3803         erg->V        = 0.0;
3804         erg->torque_v = 0.0;
3805         erg->angle_v  = 0.0;
3806         erg->weight_v = 0.0;
3807
3808         switch(rotg->eType)
3809         {
3810             case erotgISO:
3811             case erotgISOPF:
3812             case erotgPM:
3813             case erotgPMPF:
3814                 do_fixed(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3815                 break;
3816             case erotgRM:
3817                 do_radial_motion(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3818                 break;
3819             case erotgRMPF:
3820                 do_radial_motion_pf(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3821                 break;
3822             case erotgRM2:
3823             case erotgRM2PF:
3824                 do_radial_motion2(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3825                 break;
3826             case erotgFLEXT:
3827             case erotgFLEX2T:
3828                 /* Subtract the center of the rotation group from the collective positions array
3829                  * Also store the center in erg->xc_center since it needs to be subtracted
3830                  * in the low level routines from the local coordinates as well */
3831                 get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
3832                 svmul(-1.0, erg->xc_center, transvec);
3833                 translate_x(erg->xc, rotg->nat, transvec);
3834                 do_flexible(cr,er,rotg,g,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3835                 break;
3836             case erotgFLEX:
3837             case erotgFLEX2:
3838                 /* Do NOT subtract the center of mass in the low level routines! */
3839                 clear_rvec(erg->xc_center);
3840                 do_flexible(cr,er,rotg,g,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3841                 break;
3842             default:
3843                 gmx_fatal(FARGS, "No such rotation potential.");
3844                 break;
3845         }
3846     }
3847
3848 #ifdef TAKETIME
3849     if (MASTER(cr))
3850         fprintf(stderr, "%s calculation (step %d) took %g seconds.\n", RotStr, step, MPI_Wtime()-t0);
3851 #endif
3852
3853     /* Stop the cycle counter and add to the force cycles for load balancing */
3854     cycles_rot = wallcycle_stop(wcycle,ewcROT);
3855     if (DOMAINDECOMP(cr) && wcycle)
3856         dd_cycles_add(cr->dd,cycles_rot,ddCyclF);
3857 }