src/gromacs/trajectoryanalysis/tests/surfacearea.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2014,2015,2016,2017,2018 by the GROMACS development team.
   5  * Copyright (c) 2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   6  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   7  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   8  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   9  *
  10  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  12  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  13  * of the License, or (at your option) any later version.
  14  *
  15  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * Lesser General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21  * License along with GROMACS; if not, see
  22  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  23  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  24  *
  25  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  26  * consider that scientific software is very special. Version
  27  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  28  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  29  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  30  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  31  * official version at http://www.gromacs.org.
  32  *
  33  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  34  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  35  */
  36 /*! \internal \file
  37  * \brief
  38  * Tests for the surface area calculation used by the `sasa` analysis module.
  39  *
  40  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
  41  * \ingroup module_trajectoryanalysis
  42  */
  43 #include "gmxpre.h"
  44
  45 #include "gromacs/trajectoryanalysis/modules/surfacearea.h"
  46
  47 #include <cstdlib>
  48
  49 #include <gtest/gtest.h>
  50
  51 #include "gromacs/math/utilities.h"
  52 #include "gromacs/math/vec.h"
  53 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  54 #include "gromacs/random/threefry.h"
  55 #include "gromacs/random/uniformrealdistribution.h"
  56 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  57 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  58 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  59
  60 #include "testutils/refdata.h"
  61 #include "testutils/testasserts.h"
  62
  63 namespace
  64 {
  65
  66 /********************************************************************
  67  * SurfaceAreaTest
  68  */
  69
  70 class SurfaceAreaTest : public ::testing::Test
  71 {
  72 public:
  73     SurfaceAreaTest() :
  74         box_(),
  75         rng_(12345),
  76         area_(0.0),
  77         volume_(0.0),
  78         atomArea_(nullptr),
  79         dotCount_(0),
  80         dots_(nullptr)
  81     {
  82     }
  83     ~SurfaceAreaTest() override
  84     {
  85         sfree(atomArea_);
  86         sfree(dots_);
  87     }
  88
  89     void addSphere(real x, real y, real z, real radius, bool bAddToIndex = true)
  90     {
  91         if (bAddToIndex)
  92         {
  93             index_.push_back(x_.size());
  94         }
  95         x_.emplace_back(x, y, z);
  96         radius_.push_back(radius);
  97     }
  98
  99     void generateRandomPosition(rvec x, real* radius)
 100     {
 101         rvec                               fx;
 102         gmx::UniformRealDistribution<real> dist;
 103
 104         fx[XX] = dist(rng_);
 105         fx[YY] = dist(rng_);
 106         fx[ZZ] = dist(rng_);
 107         mvmul(box_, fx, x);
 108         *radius = 1.5 * dist(rng_) + 0.5;
 109     }
 110
 111     void generateRandomPositions(int count)
 112     {
 113         x_.reserve(count);
 114         radius_.reserve(count);
 115         index_.reserve(count);
 116         for (int i = 0; i < count; ++i)
 117         {
 118             rvec x;
 119             real radius;
 120             generateRandomPosition(x, &radius);
 121             addSphere(x[XX], x[YY], x[ZZ], radius);
 122         }
 123     }
 124     void translatePoints(real x, real y, real z)
 125     {
 126         for (size_t i = 0; i < x_.size(); ++i)
 127         {
 128             x_[i][XX] += x;
 129             x_[i][YY] += y;
 130             x_[i][ZZ] += z;
 131         }
 132     }
 133
 134     void calculate(int ndots, int flags, bool bPBC)
 135     {
 136         volume_ = 0.0;
 137         sfree(atomArea_);
 138         atomArea_ = nullptr;
 139         dotCount_ = 0;
 140         sfree(dots_);
 141         dots_ = nullptr;
 142         t_pbc pbc;
 143         if (bPBC)
 144         {
 145             set_pbc(&pbc, epbcXYZ, box_);
 146         }
 147         ASSERT_NO_THROW_GMX({
 148             gmx::SurfaceAreaCalculator calculator;
 149             calculator.setDotCount(ndots);
 150             calculator.setRadii(radius_);
 151             calculator.calculate(as_rvec_array(x_.data()), bPBC ? &pbc : nullptr, index_.size(),
 152                                  index_.data(), flags, &area_, &volume_, &atomArea_, &dots_, &dotCount_);
 153         });
 154     }
 155     real resultArea() const { return area_; }
 156     real resultVolume() const { return volume_; }
 157     real atomArea(int index) const { return atomArea_[index]; }
 158
 159     void checkReference(gmx::test::TestReferenceChecker* checker, const char* id, bool checkDotCoordinates)
 160     {
 161         gmx::test::TestReferenceChecker compound(checker->checkCompound("SASA", id));
 162         compound.checkReal(area_, "Area");
 163         if (volume_ > 0.0)
 164         {
 165             compound.checkReal(volume_, "Volume");
 166         }
 167         if (atomArea_ != nullptr)
 168         {
 169             compound.checkSequenceArray(index_.size(), atomArea_, "AtomArea");
 170         }
 171         if (dots_ != nullptr)
 172         {
 173             if (checkDotCoordinates)
 174             {
 175                 // The algorithm may produce the dots in different order in
 176                 // single and double precision due to some internal
 177                 // sorting...
 178                 std::qsort(dots_, dotCount_, sizeof(rvec), &dotComparer);
 179                 compound.checkSequenceArray(3 * dotCount_, dots_, "Dots");
 180             }
 181             else
 182             {
 183                 compound.checkInteger(dotCount_, "DotCount");
 184             }
 185         }
 186     }
 187
 188     gmx::test::TestReferenceData data_;
 189     matrix                       box_;
 190
 191 private:
 192     static int dotComparer(const void* a, const void* b)
 193     {
 194         for (int d = DIM - 1; d >= 0; --d)
 195         {
 196             const real ad = reinterpret_cast<const real*>(a)[d];
 197             const real bd = reinterpret_cast<const real*>(b)[d];
 198             // A fudge factor is needed to get an ordering that is the same
 199             // in single and double precision, since the points are not
 200             // exactly on the same Z plane even though in exact arithmetic
 201             // they probably would be.
 202             if (ad < bd - 0.001)
 203             {
 204                 return -1;
 205             }
 206             else if (ad > bd + 0.001)
 207             {
 208                 return 1;
 209             }
 210         }
 211         return 0;
 212     }
 213
 214     gmx::DefaultRandomEngine rng_;
 215     std::vector<gmx::RVec>   x_;
 216     std::vector<real>        radius_;
 217     std::vector<int>         index_;
 218
 219     real  area_;
 220     real  volume_;
 221     real* atomArea_;
 222     int   dotCount_;
 223     real* dots_;
 224 };
 225
 226 TEST_F(SurfaceAreaTest, ComputesSinglePoint)
 227 {
 228     gmx::test::FloatingPointTolerance tolerance(gmx::test::defaultRealTolerance());
 229     addSphere(1, 1, 1, 1);
 230     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, FLAG_VOLUME | FLAG_ATOM_AREA, false));
 231     EXPECT_REAL_EQ_TOL(4 * M_PI, resultArea(), tolerance);
 232     EXPECT_REAL_EQ_TOL(4 * M_PI, atomArea(0), tolerance);
 233     EXPECT_REAL_EQ_TOL(4 * M_PI / 3, resultVolume(), tolerance);
 234 }
 235
 236 TEST_F(SurfaceAreaTest, ComputesTwoPoints)
 237 {
 238     gmx::test::FloatingPointTolerance tolerance(gmx::test::relativeToleranceAsFloatingPoint(1.0, 0.005));
 239     addSphere(1, 1, 1, 1);
 240     addSphere(2, 1, 1, 1);
 241     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(1000, FLAG_ATOM_AREA, false));
 242     EXPECT_REAL_EQ_TOL(2 * 2 * M_PI * 1.5, resultArea(), tolerance);
 243     EXPECT_REAL_EQ_TOL(2 * M_PI * 1.5, atomArea(0), tolerance);
 244     EXPECT_REAL_EQ_TOL(2 * M_PI * 1.5, atomArea(1), tolerance);
 245 }
 246
 247 TEST_F(SurfaceAreaTest, ComputesTwoPointsOfUnequalRadius)
 248 {
 249     gmx::test::FloatingPointTolerance tolerance(gmx::test::relativeToleranceAsFloatingPoint(1.0, 0.005));
 250     // Spheres of radius 1 and 2 with intersection at 1.5
 251     const real dist = 0.5 + sqrt(3.25);
 252     addSphere(1.0, 1.0, 1.0, 1);
 253     addSphere(1.0 + dist, 1.0, 1.0, 2);
 254     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(1000, FLAG_ATOM_AREA, false));
 255     EXPECT_REAL_EQ_TOL(2 * M_PI * (1.5 + (dist - 0.5 + 2) * 2), resultArea(), tolerance);
 256     EXPECT_REAL_EQ_TOL(2 * M_PI * 1.5, atomArea(0), tolerance);
 257     EXPECT_REAL_EQ_TOL(2 * M_PI * (dist - 0.5 + 2) * 2, atomArea(1), tolerance);
 258 }
 259
 260 TEST_F(SurfaceAreaTest, SurfacePoints12)
 261 {
 262     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 263     addSphere(0, 0, 0, 1);
 264     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(12, FLAG_DOTS, false));
 265     checkReference(&checker, "Surface", true);
 266 }
 267
 268 TEST_F(SurfaceAreaTest, SurfacePoints32)
 269 {
 270     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 271     addSphere(0, 0, 0, 1);
 272     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(32, FLAG_DOTS, false));
 273     checkReference(&checker, "Surface", true);
 274 }
 275
 276 TEST_F(SurfaceAreaTest, SurfacePoints42)
 277 {
 278     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 279     addSphere(0, 0, 0, 1);
 280     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(42, FLAG_DOTS, false));
 281     checkReference(&checker, "Surface", true);
 282 }
 283
 284 TEST_F(SurfaceAreaTest, SurfacePoints122)
 285 {
 286     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 287     addSphere(0, 0, 0, 1);
 288     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(122, FLAG_DOTS, false));
 289     checkReference(&checker, "Surface", true);
 290 }
 291
 292 TEST_F(SurfaceAreaTest, Computes100Points)
 293 {
 294     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 295     checker.setDefaultTolerance(gmx::test::absoluteTolerance(0.001));
 296     box_[XX][XX] = 10.0;
 297     box_[YY][YY] = 10.0;
 298     box_[ZZ][ZZ] = 10.0;
 299     generateRandomPositions(100);
 300     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, FLAG_VOLUME | FLAG_ATOM_AREA | FLAG_DOTS, false));
 301     checkReference(&checker, "100Points", false);
 302 }
 303
 304 TEST_F(SurfaceAreaTest, Computes100PointsWithRectangularPBC)
 305 {
 306     // TODO: It would be nice to check that this produces the same result as
 307     // without PBC, without duplicating the reference files.
 308     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 309     checker.setDefaultTolerance(gmx::test::absoluteTolerance(0.001));
 310     box_[XX][XX] = 10.0;
 311     box_[YY][YY] = 10.0;
 312     box_[ZZ][ZZ] = 10.0;
 313     generateRandomPositions(100);
 314     box_[XX][XX]    = 20.0;
 315     box_[YY][YY]    = 20.0;
 316     box_[ZZ][ZZ]    = 20.0;
 317     const int flags = FLAG_ATOM_AREA | FLAG_VOLUME | FLAG_DOTS;
 318     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 319     checkReference(&checker, "100Points", false);
 320
 321     translatePoints(15.0, 0, 0);
 322     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 323     checkReference(&checker, "100Points", false);
 324
 325     translatePoints(-15.0, 15.0, 0);
 326     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 327     checkReference(&checker, "100Points", false);
 328
 329     translatePoints(0, -15.0, 15.0);
 330     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 331     checkReference(&checker, "100Points", false);
 332 }
 333
 334 TEST_F(SurfaceAreaTest, Computes100PointsWithTriclinicPBC)
 335 {
 336     // TODO: It would be nice to check that this produces the same result as
 337     // without PBC, without duplicating the reference files.
 338     gmx::test::TestReferenceChecker checker(data_.rootChecker());
 339     checker.setDefaultTolerance(gmx::test::absoluteTolerance(0.001));
 340     box_[XX][XX] = 10.0;
 341     box_[YY][YY] = 10.0;
 342     box_[ZZ][ZZ] = 10.0;
 343     generateRandomPositions(100);
 344     box_[XX][XX] = 20.0;
 345     box_[YY][XX] = 10.0;
 346     box_[YY][YY] = 10.0 * sqrt(3.0);
 347     box_[ZZ][XX] = 10.0;
 348     box_[ZZ][YY] = 10.0 * sqrt(1.0 / 3.0);
 349     box_[ZZ][ZZ] = 20.0 * sqrt(2.0 / 3.0);
 350
 351     const int flags = FLAG_ATOM_AREA | FLAG_VOLUME | FLAG_DOTS;
 352     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 353     checkReference(&checker, "100Points", false);
 354
 355     translatePoints(15.0, 0, 0);
 356     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 357     checkReference(&checker, "100Points", false);
 358
 359     translatePoints(-15.0, box_[YY][YY] - 5.0, 0);
 360     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 361     checkReference(&checker, "100Points", false);
 362
 363     translatePoints(0, -(box_[YY][YY] - 5.0), 15.0);
 364     ASSERT_NO_FATAL_FAILURE(calculate(24, flags, true));
 365     checkReference(&checker, "100Points", false);
 366 }
 367
 368 } // namespace