src/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 "gmx_cyclecounter.h"
  44 #include "trnio.h"
  45 #include "smalloc.h"
  46 #include "network.h"
  47 #include "pbc.h"
  48 #include "futil.h"
  49 #include "mdrun.h"
  50 #include "txtdump.h"
  51 #include "names.h"
  52 #include "mtop_util.h"
  53 #include "names.h"
  54 #include "nrjac.h"
  55 #include "vec.h"
  56 #include "gmx_ga2la.h"
  57 #include "xvgr.h"
  58 #include "gmxfio.h"
  59 #include "groupcoord.h"
  60 #include "pull_rotation.h"
  61 #include "gmx_sort.h"
  62 #include "copyrite.h"
  63
  64
  65 static char *RotStr = {"Enforced rotation:"};
  66
  67
  68 /* Set the minimum weight for the determination of the slab centers */
  69 #define WEIGHT_MIN (10*GMX_FLOAT_MIN)
  70
  71 /* Helper structure for sorting positions along rotation vector             */
  72 typedef struct {
  73     real xcproj;            /* Projection of xc on the rotation vector        */
  74     int ind;                /* Index of xc                                    */
  75     real m;                 /* Mass                                           */
  76     rvec x;                 /* Position                                       */
  77     rvec x_ref;             /* Reference position                             */
  78 } sort_along_vec_t;
  79
  80
  81 /* Enforced rotation / flexible: determine the angle of each slab             */
  82 typedef struct gmx_slabdata
  83 {
  84     int  nat;               /* Number of atoms belonging to this slab         */
  85     rvec *x;                /* The positions belonging to this slab. In
  86                                general, this should be all positions of the
  87                                whole rotation group, but we leave those away
  88                                that have a small enough weight                */
  89     rvec *ref;              /* Same for reference                             */
  90     real *weight;           /* The weight for each atom                       */
  91 } t_gmx_slabdata;
  92
  93
  94 /* Helper structure for potential fitting */
  95 typedef struct gmx_potfit
  96 {
  97     real   *degangle;       /* Set of angles for which the potential is
  98                                calculated. The optimum fit is determined as
  99                                the angle for with the potential is minimal    */
 100     real   *V;              /* Potential for the different angles             */
 101     matrix *rotmat;         /* Rotation matrix corresponding to the angles    */
 102 } t_gmx_potfit;
 103
 104
 105 /* Enforced rotation data for all groups                                      */
 106 typedef struct gmx_enfrot
 107 {
 108     FILE  *out_rot;         /* Output file for rotation data                  */
 109     FILE  *out_torque;      /* Output file for torque data                    */
 110     FILE  *out_angles;      /* Output file for slab angles for flexible type  */
 111     FILE  *out_slabs;       /* Output file for slab centers                   */
 112     int   bufsize;          /* Allocation size of buf                         */
 113     rvec  *xbuf;            /* Coordinate buffer variable for sorting         */
 114     real  *mbuf;            /* Masses buffer variable for sorting             */
 115     sort_along_vec_t *data; /* Buffer variable needed for position sorting    */
 116     real  *mpi_inbuf;       /* MPI buffer                                     */
 117     real  *mpi_outbuf;      /* MPI buffer                                     */
 118     int   mpi_bufsize;      /* Allocation size of in & outbuf                 */
 119     unsigned long Flags;    /* mdrun flags                                    */
 120     gmx_bool bOut;          /* Used to skip first output when appending to
 121                              * avoid duplicate entries in rotation outfiles   */
 122 } t_gmx_enfrot;
 123
 124
 125 /* Global enforced rotation data for a single rotation group                  */
 126 typedef struct gmx_enfrotgrp
 127 {
 128     real    degangle;       /* Rotation angle in degrees                      */
 129     matrix  rotmat;         /* Rotation matrix                                */
 130     atom_id *ind_loc;       /* Local rotation indices                         */
 131     int     nat_loc;        /* Number of local group atoms                    */
 132     int     nalloc_loc;     /* Allocation size for ind_loc and weight_loc     */
 133
 134     real  V;                /* Rotation potential for this rotation group     */
 135     rvec  *f_rot_loc;       /* Array to store the forces on the local atoms
 136                                resulting from enforced rotation potential     */
 137
 138     /* Collective coordinates for the whole rotation group */
 139     real  *xc_ref_length;   /* Length of each x_rotref vector after x_rotref
 140                                has been put into origin                       */
 141     int   *xc_ref_ind;      /* Position of each local atom in the collective
 142                                array                                          */
 143     rvec  xc_center;        /* Center of the rotation group positions, may
 144                                be mass weighted                               */
 145     rvec  xc_ref_center;    /* dito, for the reference positions              */
 146     rvec  *xc;              /* Current (collective) positions                 */
 147     ivec  *xc_shifts;       /* Current (collective) shifts                    */
 148     ivec  *xc_eshifts;      /* Extra shifts since last DD step                */
 149     rvec  *xc_old;          /* Old (collective) positions                     */
 150     rvec  *xc_norm;         /* Normalized form of the current positions       */
 151     rvec  *xc_ref_sorted;   /* Reference positions (sorted in the same order
 152                                as xc when sorted)                             */
 153     int   *xc_sortind;      /* Where is a position found after sorting?       */
 154     real  *mc;              /* Collective masses                              */
 155     real  *mc_sorted;
 156     real  invmass;          /* one over the total mass of the rotation group  */
 157
 158     real  torque_v;         /* Torque in the direction of rotation vector     */
 159     real  angle_v;          /* Actual angle of the whole rotation group       */
 160     /* Fixed rotation only */
 161     real  weight_v;         /* Weights for angle determination                */
 162     rvec  *xr_loc;          /* Local reference coords, correctly rotated      */
 163     rvec  *x_loc_pbc;       /* Local current coords, correct PBC image        */
 164     real  *m_loc;           /* Masses of the current local atoms              */
 165
 166     /* Flexible rotation only */
 167     int   nslabs_alloc;     /* For this many slabs memory is allocated        */
 168     int   slab_first;       /* Lowermost slab for that the calculation needs
 169                                to be performed at a given time step           */
 170     int   slab_last;        /* Uppermost slab ...                             */
 171     int   slab_first_ref;   /* First slab for which ref. center is stored     */
 172     int   slab_last_ref;    /* Last ...                                       */
 173     int   slab_buffer;      /* Slab buffer region around reference slabs      */
 174     int   *firstatom;       /* First relevant atom for a slab                 */
 175     int   *lastatom;        /* Last relevant atom for a slab                  */
 176     rvec  *slab_center;     /* Gaussian-weighted slab center                  */
 177     rvec  *slab_center_ref; /* Gaussian-weighted slab center for the
 178                                reference positions                            */
 179     real  *slab_weights;    /* Sum of gaussian weights in a slab              */
 180     real  *slab_torque_v;   /* Torque T = r x f for each slab.                */
 181                             /* torque_v = m.v = angular momentum in the
 182                                direction of v                                 */
 183     real  max_beta;         /* min_gaussian from inputrec->rotgrp is the
 184                                minimum value the gaussian must have so that
 185                                the force is actually evaluated max_beta is
 186                                just another way to put it                     */
 187     real  *gn_atom;         /* Precalculated gaussians for a single atom      */
 188     int   *gn_slabind;      /* Tells to which slab each precalculated gaussian
 189                                belongs                                        */
 190     rvec  *slab_innersumvec;/* Inner sum of the flexible2 potential per slab;
 191                                this is precalculated for optimization reasons */
 192     t_gmx_slabdata *slab_data; /* Holds atom positions and gaussian weights
 193                                of atoms belonging to a slab                   */
 194
 195     /* For potential fits with varying angle: */
 196     t_gmx_potfit *PotAngleFit;  /* Used for fit type 'potential'              */
 197 } t_gmx_enfrotgrp;
 198
 199
 200 /* Activate output of forces for correctness checks */
 201 /* #define PRINT_FORCES */
 202 #ifdef PRINT_FORCES
 203 #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]);
 204 #define PRINT_POT_TAU  if (MASTER(cr)) { \
 205                            fprintf(stderr,"potential = %15.8f\n" "torque    = %15.8f\n", erg->V, erg->torque_v); \
 206                        }
 207 #else
 208 #define PRINT_FORCE_J
 209 #define PRINT_POT_TAU
 210 #endif
 211
 212 /* Shortcuts for often used queries */
 213 #define ISFLEX(rg) ( (rg->eType==erotgFLEX) || (rg->eType==erotgFLEXT) || (rg->eType==erotgFLEX2) || (rg->eType==erotgFLEX2T) )
 214 #define ISCOLL(rg) ( (rg->eType==erotgFLEX) || (rg->eType==erotgFLEXT) || (rg->eType==erotgFLEX2) || (rg->eType==erotgFLEX2T) || (rg->eType==erotgRMPF) || (rg->eType==erotgRM2PF) )
 215
 216
 217 /* Does any of the rotation groups use slab decomposition? */
 218 static gmx_bool HaveFlexibleGroups(t_rot *rot)
 219 {
 220     int g;
 221     t_rotgrp *rotg;
 222
 223
 224     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 225     {
 226         rotg = &rot->grp[g];
 227         if (ISFLEX(rotg))
 228             return TRUE;
 229     }
 230
 231     return FALSE;
 232 }
 233
 234
 235 /* Is for any group the fit angle determined by finding the minimum of the
 236  * rotation potential? */
 237 static gmx_bool HavePotFitGroups(t_rot *rot)
 238 {
 239     int g;
 240     t_rotgrp *rotg;
 241
 242
 243     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 244     {
 245         rotg = &rot->grp[g];
 246         if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 247             return TRUE;
 248     }
 249
 250     return FALSE;
 251 }
 252
 253
 254 static double** allocate_square_matrix(int dim)
 255 {
 256     int i;
 257     double** mat = NULL;
 258
 259
 260     snew(mat, dim);
 261     for(i=0; i<dim; i++)
 262         snew(mat[i], dim);
 263
 264     return mat;
 265 }
 266
 267
 268 static void free_square_matrix(double** mat, int dim)
 269 {
 270     int i;
 271
 272
 273     for (i=0; i<dim; i++)
 274         sfree(mat[i]);
 275     sfree(mat);
 276 }
 277
 278
 279 /* Return the angle for which the potential is minimal */
 280 static real get_fitangle(t_rotgrp *rotg, gmx_enfrotgrp_t erg)
 281 {
 282     int i;
 283     real fitangle = -999.9;
 284     real pot_min = GMX_FLOAT_MAX;
 285     t_gmx_potfit *fit;
 286
 287
 288     fit = erg->PotAngleFit;
 289
 290     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 291     {
 292         if (fit->V[i] < pot_min)
 293         {
 294             pot_min = fit->V[i];
 295             fitangle = fit->degangle[i];
 296         }
 297     }
 298
 299     return fitangle;
 300 }
 301
 302
 303 /* Reduce potential angle fit data for this group at this time step? */
 304 static gmx_inline gmx_bool bPotAngle(t_rot *rot, t_rotgrp *rotg, gmx_large_int_t step)
 305 {
 306     return ( (erotgFitPOT==rotg->eFittype) && (do_per_step(step, rot->nstsout) || do_per_step(step, rot->nstrout)) );
 307 }
 308
 309 /* Reduce slab torqe data for this group at this time step? */
 310 static gmx_inline gmx_bool bSlabTau(t_rot *rot, t_rotgrp *rotg, gmx_large_int_t step)
 311 {
 312     return ( (ISFLEX(rotg)) && do_per_step(step, rot->nstsout) );
 313 }
 314
 315 /* Output rotation energy, torques, etc. for each rotation group */
 316 static void reduce_output(t_commrec *cr, t_rot *rot, real t, gmx_large_int_t step)
 317 {
 318     int      g,i,islab,nslabs=0;
 319     int      count;      /* MPI element counter                               */
 320     t_rotgrp *rotg;
 321     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
 322     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
 323     real     fitangle;
 324     gmx_bool bFlex;
 325
 326
 327     er=rot->enfrot;
 328
 329     /* Fill the MPI buffer with stuff to reduce. If items are added for reduction
 330      * here, the MPI buffer size has to be enlarged also in calc_mpi_bufsize() */
 331     if (PAR(cr))
 332     {
 333         count=0;
 334         for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 335         {
 336             rotg = &rot->grp[g];
 337             erg = rotg->enfrotgrp;
 338             nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
 339             er->mpi_inbuf[count++] = erg->V;
 340             er->mpi_inbuf[count++] = erg->torque_v;
 341             er->mpi_inbuf[count++] = erg->angle_v;
 342             er->mpi_inbuf[count++] = erg->weight_v; /* weights are not needed for flex types, but this is just a single value */
 343
 344             if (bPotAngle(rot, rotg, step))
 345             {
 346                 for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 347                     er->mpi_inbuf[count++] = erg->PotAngleFit->V[i];
 348             }
 349             if (bSlabTau(rot, rotg, step))
 350             {
 351                 for (i=0; i<nslabs; i++)
 352                     er->mpi_inbuf[count++] = erg->slab_torque_v[i];
 353             }
 354         }
 355         if (count > er->mpi_bufsize)
 356             gmx_fatal(FARGS, "%s MPI buffer overflow, please report this error.", RotStr);
 357
 358 #ifdef GMX_MPI
 359         MPI_Reduce(er->mpi_inbuf, er->mpi_outbuf, count, GMX_MPI_REAL, MPI_SUM, MASTERRANK(cr), cr->mpi_comm_mygroup);
 360 #endif
 361
 362         /* Copy back the reduced data from the buffer on the master */
 363         if (MASTER(cr))
 364         {
 365             count=0;
 366             for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 367             {
 368                 rotg = &rot->grp[g];
 369                 erg = rotg->enfrotgrp;
 370                 nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
 371                 erg->V        = er->mpi_outbuf[count++];
 372                 erg->torque_v = er->mpi_outbuf[count++];
 373                 erg->angle_v  = er->mpi_outbuf[count++];
 374                 erg->weight_v = er->mpi_outbuf[count++];
 375
 376                 if (bPotAngle(rot, rotg, step))
 377                 {
 378                     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 379                         erg->PotAngleFit->V[i] = er->mpi_outbuf[count++];
 380                 }
 381                 if (bSlabTau(rot, rotg, step))
 382                 {
 383                     for (i=0; i<nslabs; i++)
 384                         erg->slab_torque_v[i] = er->mpi_outbuf[count++];
 385                 }
 386             }
 387         }
 388     }
 389
 390     /* Output */
 391     if (MASTER(cr))
 392     {
 393         /* Angle and torque for each rotation group */
 394         for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 395         {
 396             rotg=&rot->grp[g];
 397             bFlex = ISFLEX(rotg);
 398
 399             erg=rotg->enfrotgrp;
 400
 401             /* Output to main rotation output file: */
 402             if ( do_per_step(step, rot->nstrout) )
 403             {
 404                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 405                 {
 406                     fitangle = get_fitangle(rotg, erg);
 407                 }
 408                 else
 409                 {
 410                     if (bFlex)
 411                         fitangle = erg->angle_v; /* RMSD fit angle */
 412                     else
 413                         fitangle = (erg->angle_v/erg->weight_v)*180.0*M_1_PI;
 414                 }
 415                 fprintf(er->out_rot, "%12.4f", fitangle);
 416                 fprintf(er->out_rot, "%12.3e", erg->torque_v);
 417                 fprintf(er->out_rot, "%12.3e", erg->V);
 418             }
 419
 420             if ( do_per_step(step, rot->nstsout) )
 421             {
 422                 /* Output to torque log file: */
 423                 if (bFlex)
 424                 {
 425                     fprintf(er->out_torque, "%12.3e%6d", t, g);
 426                     for (i=erg->slab_first; i<=erg->slab_last; i++)
 427                     {
 428                         islab = i - erg->slab_first;  /* slab index */
 429                         /* Only output if enough weight is in slab */
 430                         if (erg->slab_weights[islab] > rotg->min_gaussian)
 431                             fprintf(er->out_torque, "%6d%12.3e", i, erg->slab_torque_v[islab]);
 432                     }
 433                     fprintf(er->out_torque , "\n");
 434                 }
 435
 436                 /* Output to angles log file: */
 437                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 438                 {
 439                     fprintf(er->out_angles, "%12.3e%6d%12.4f", t, g, erg->degangle);
 440                     /* Output energies at a set of angles around the reference angle */
 441                     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
 442                         fprintf(er->out_angles, "%12.3e", erg->PotAngleFit->V[i]);
 443                     fprintf(er->out_angles, "\n");
 444                 }
 445             }
 446         }
 447         if ( do_per_step(step, rot->nstrout) )
 448             fprintf(er->out_rot, "\n");
 449     }
 450 }
 451
 452
 453 /* Add the forces from enforced rotation potential to the local forces.
 454  * Should be called after the SR forces have been evaluated */
 455 extern real add_rot_forces(t_rot *rot, rvec f[], t_commrec *cr, gmx_large_int_t step, real t)
 456 {
 457     int g,l,ii;
 458     t_rotgrp *rotg;
 459     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
 460     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
 461     real Vrot = 0.0;     /* If more than one rotation group is present, Vrot
 462                             assembles the local parts from all groups         */
 463
 464
 465     er=rot->enfrot;
 466
 467     /* Loop over enforced rotation groups (usually 1, though)
 468      * Apply the forces from rotation potentials */
 469     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 470     {
 471         rotg = &rot->grp[g];
 472         erg=rotg->enfrotgrp;
 473         Vrot += erg->V;  /* add the local parts from the nodes */
 474         for (l=0; l<erg->nat_loc; l++)
 475         {
 476             /* Get the right index of the local force */
 477             ii = erg->ind_loc[l];
 478             /* Add */
 479             rvec_inc(f[ii],erg->f_rot_loc[l]);
 480         }
 481     }
 482
 483     /* Reduce energy,torque, angles etc. to get the sum values (per rotation group)
 484      * on the master and output these values to file. */
 485     if ( (do_per_step(step, rot->nstrout) || do_per_step(step, rot->nstsout)) && er->bOut)
 486         reduce_output(cr, rot, t, step);
 487
 488     /* When appending, er->bOut is FALSE the first time to avoid duplicate entries */
 489     er->bOut = TRUE;
 490
 491     PRINT_POT_TAU
 492
 493     return Vrot;
 494 }
 495
 496
 497 /* The Gaussian norm is chosen such that the sum of the gaussian functions
 498  * over the slabs is approximately 1.0 everywhere */
 499 #define GAUSS_NORM   0.569917543430618
 500
 501
 502 /* Calculate the maximum beta that leads to a gaussian larger min_gaussian,
 503  * also does some checks
 504  */
 505 static double calc_beta_max(real min_gaussian, real slab_dist)
 506 {
 507     double sigma;
 508     double arg;
 509
 510
 511     /* Actually the next two checks are already made in grompp */
 512     if (slab_dist <= 0)
 513         gmx_fatal(FARGS, "Slab distance of flexible rotation groups must be >=0 !");
 514     if (min_gaussian <= 0)
 515         gmx_fatal(FARGS, "Cutoff value for Gaussian must be > 0. (You requested %f)");
 516
 517     /* Define the sigma value */
 518     sigma = 0.7*slab_dist;
 519
 520     /* Calculate the argument for the logarithm and check that the log() result is negative or 0 */
 521     arg = min_gaussian/GAUSS_NORM;
 522     if (arg > 1.0)
 523         gmx_fatal(FARGS, "min_gaussian of flexible rotation groups must be <%g", GAUSS_NORM);
 524
 525     return sqrt(-2.0*sigma*sigma*log(min_gaussian/GAUSS_NORM));
 526 }
 527
 528
 529 static gmx_inline real calc_beta(rvec curr_x, t_rotgrp *rotg, int n)
 530 {
 531     return iprod(curr_x, rotg->vec) - rotg->slab_dist * n;
 532 }
 533
 534
 535 static gmx_inline real gaussian_weight(rvec curr_x, t_rotgrp *rotg, int n)
 536 {
 537     const real norm = GAUSS_NORM;
 538     real       sigma;
 539
 540
 541     /* Define the sigma value */
 542     sigma = 0.7*rotg->slab_dist;
 543     /* Calculate the Gaussian value of slab n for position curr_x */
 544     return norm * exp( -0.5 * sqr( calc_beta(curr_x, rotg, n)/sigma ) );
 545 }
 546
 547
 548 /* Returns the weight in a single slab, also calculates the Gaussian- and mass-
 549  * weighted sum of positions for that slab */
 550 static real get_slab_weight(int j, t_rotgrp *rotg, rvec xc[], real mc[], rvec *x_weighted_sum)
 551 {
 552     rvec curr_x;              /* The position of an atom                      */
 553     rvec curr_x_weighted;     /* The gaussian-weighted position               */
 554     real gaussian;            /* A single gaussian weight                     */
 555     real wgauss;              /* gaussian times current mass                  */
 556     real slabweight = 0.0;    /* The sum of weights in the slab               */
 557     int i,islab;
 558     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data      */
 559
 560
 561     erg=rotg->enfrotgrp;
 562     clear_rvec(*x_weighted_sum);
 563
 564     /* Slab index */
 565     islab = j - erg->slab_first;
 566
 567     /* Loop over all atoms in the rotation group */
 568      for (i=0; i<rotg->nat; i++)
 569      {
 570          copy_rvec(xc[i], curr_x);
 571          gaussian = gaussian_weight(curr_x, rotg, j);
 572          wgauss = gaussian * mc[i];
 573          svmul(wgauss, curr_x, curr_x_weighted);
 574          rvec_add(*x_weighted_sum, curr_x_weighted, *x_weighted_sum);
 575          slabweight += wgauss;
 576      } /* END of loop over rotation group atoms */
 577
 578      return slabweight;
 579 }
 580
 581
 582 static void get_slab_centers(
 583         t_rotgrp *rotg,       /* The rotation group information               */
 584         rvec      *xc,        /* The rotation group positions; will
 585                                  typically be enfrotgrp->xc, but at first call
 586                                  it is enfrotgrp->xc_ref                      */
 587         real      *mc,        /* The masses of the rotation group atoms       */
 588         int       g,          /* The number of the rotation group             */
 589         real      time,       /* Used for output only                         */
 590         FILE      *out_slabs, /* For outputting center per slab information   */
 591         gmx_bool  bOutStep,   /* Is this an output step?                      */
 592         gmx_bool  bReference) /* If this routine is called from
 593                                  init_rot_group we need to store
 594                                  the reference slab centers                   */
 595 {
 596     int j,islab;
 597     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
 598
 599
 600     erg=rotg->enfrotgrp;
 601
 602     /* Loop over slabs */
 603     for (j = erg->slab_first; j <= erg->slab_last; j++)
 604     {
 605         islab = j - erg->slab_first;
 606         erg->slab_weights[islab] = get_slab_weight(j, rotg, xc, mc, &erg->slab_center[islab]);
 607
 608         /* We can do the calculations ONLY if there is weight in the slab! */
 609         if (erg->slab_weights[islab] > WEIGHT_MIN)
 610         {
 611             svmul(1.0/erg->slab_weights[islab], erg->slab_center[islab], erg->slab_center[islab]);
 612         }
 613         else
 614         {
 615             /* We need to check this here, since we divide through slab_weights
 616              * in the flexible low-level routines! */
 617             gmx_fatal(FARGS, "Not enough weight in slab %d. Slab center cannot be determined!", j);
 618         }
 619
 620         /* At first time step: save the centers of the reference structure */
 621         if (bReference)
 622             copy_rvec(erg->slab_center[islab], erg->slab_center_ref[islab]);
 623     } /* END of loop over slabs */
 624
 625     /* Output on the master */
 626     if ( (NULL != out_slabs) && bOutStep)
 627     {
 628         fprintf(out_slabs, "%12.3e%6d", time, g);
 629         for (j = erg->slab_first; j <= erg->slab_last; j++)
 630         {
 631             islab = j - erg->slab_first;
 632             fprintf(out_slabs, "%6d%12.3e%12.3e%12.3e",
 633                     j,erg->slab_center[islab][XX],erg->slab_center[islab][YY],erg->slab_center[islab][ZZ]);
 634         }
 635         fprintf(out_slabs, "\n");
 636     }
 637 }
 638
 639
 640 static void calc_rotmat(
 641         rvec vec,
 642         real degangle,  /* Angle alpha of rotation at time t in degrees       */
 643         matrix rotmat)  /* Rotation matrix                                    */
 644 {
 645     real radangle;            /* Rotation angle in radians */
 646     real cosa;                /* cosine alpha              */
 647     real sina;                /* sine alpha                */
 648     real OMcosa;              /* 1 - cos(alpha)            */
 649     real dumxy, dumxz, dumyz; /* save computations         */
 650     rvec rot_vec;             /* Rotate around rot_vec ... */
 651
 652
 653     radangle = degangle * M_PI/180.0;
 654     copy_rvec(vec , rot_vec );
 655
 656     /* Precompute some variables: */
 657     cosa   = cos(radangle);
 658     sina   = sin(radangle);
 659     OMcosa = 1.0 - cosa;
 660     dumxy  = rot_vec[XX]*rot_vec[YY]*OMcosa;
 661     dumxz  = rot_vec[XX]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 662     dumyz  = rot_vec[YY]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 663
 664     /* Construct the rotation matrix for this rotation group: */
 665     /* 1st column: */
 666     rotmat[XX][XX] = cosa  + rot_vec[XX]*rot_vec[XX]*OMcosa;
 667     rotmat[YY][XX] = dumxy + rot_vec[ZZ]*sina;
 668     rotmat[ZZ][XX] = dumxz - rot_vec[YY]*sina;
 669     /* 2nd column: */
 670     rotmat[XX][YY] = dumxy - rot_vec[ZZ]*sina;
 671     rotmat[YY][YY] = cosa  + rot_vec[YY]*rot_vec[YY]*OMcosa;
 672     rotmat[ZZ][YY] = dumyz + rot_vec[XX]*sina;
 673     /* 3rd column: */
 674     rotmat[XX][ZZ] = dumxz + rot_vec[YY]*sina;
 675     rotmat[YY][ZZ] = dumyz - rot_vec[XX]*sina;
 676     rotmat[ZZ][ZZ] = cosa  + rot_vec[ZZ]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 677
 678 #ifdef PRINTMATRIX
 679     int iii,jjj;
 680
 681     for (iii=0; iii<3; iii++) {
 682         for (jjj=0; jjj<3; jjj++)
 683             fprintf(stderr, " %10.8f ",  rotmat[iii][jjj]);
 684         fprintf(stderr, "\n");
 685     }
 686 #endif
 687 }
 688
 689
 690 /* Calculates torque on the rotation axis tau = position x force */
 691 static gmx_inline real torque(
 692         rvec rotvec,  /* rotation vector; MUST be normalized!                 */
 693         rvec force,   /* force                                                */
 694         rvec x,       /* position of atom on which the force acts             */
 695         rvec pivot)   /* pivot point of rotation axis                         */
 696 {
 697     rvec vectmp, tau;
 698
 699
 700     /* Subtract offset */
 701     rvec_sub(x,pivot,vectmp);
 702
 703     /* position x force */
 704     cprod(vectmp, force, tau);
 705
 706     /* Return the part of the torque which is parallel to the rotation vector */
 707     return iprod(tau, rotvec);
 708 }
 709
 710
 711 /* Right-aligned output of value with standard width */
 712 static void print_aligned(FILE *fp, char *str)
 713 {
 714     fprintf(fp, "%12s", str);
 715 }
 716
 717
 718 /* Right-aligned output of value with standard short width */
 719 static void print_aligned_short(FILE *fp, char *str)
 720 {
 721     fprintf(fp, "%6s", str);
 722 }
 723
 724
 725 static FILE *open_output_file(const char *fn, int steps, const char what[])
 726 {
 727     FILE *fp;
 728
 729
 730     fp = ffopen(fn, "w");
 731
 732     fprintf(fp, "# Output of %s is written in intervals of %d time step%s.\n#\n",
 733             what,steps, steps>1 ? "s":"");
 734
 735     return fp;
 736 }
 737
 738
 739 /* Open output file for slab center data. Call on master only */
 740 static FILE *open_slab_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
 741 {
 742     FILE      *fp;
 743     int       g,i;
 744     t_rotgrp  *rotg;
 745
 746
 747     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
 748     {
 749         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 750     }
 751     else
 752     {
 753         fp = open_output_file(fn, rot->nstsout, "gaussian weighted slab centers");
 754
 755         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 756         {
 757             rotg = &rot->grp[g];
 758             if (ISFLEX(rotg))
 759             {
 760                 fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm, %s.\n",
 761                         g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist,
 762                         rotg->bMassW? "centers of mass":"geometrical centers");
 763             }
 764         }
 765
 766         fprintf(fp, "# Reference centers are listed first (t=-1).\n");
 767         fprintf(fp, "# The following columns have the syntax:\n");
 768         fprintf(fp, "#     ");
 769         print_aligned_short(fp, "t");
 770         print_aligned_short(fp, "grp");
 771         /* Print legend for the first two entries only ... */
 772         for (i=0; i<2; i++)
 773         {
 774             print_aligned_short(fp, "slab");
 775             print_aligned(fp, "X center");
 776             print_aligned(fp, "Y center");
 777             print_aligned(fp, "Z center");
 778         }
 779         fprintf(fp, " ...\n");
 780         fflush(fp);
 781     }
 782
 783     return fp;
 784 }
 785
 786
 787 /* Adds 'buf' to 'str' */
 788 static void add_to_string(char **str, char *buf)
 789 {
 790     int len;
 791
 792
 793     len = strlen(*str) + strlen(buf) + 1;
 794     srenew(*str, len);
 795     strcat(*str, buf);
 796 }
 797
 798
 799 static void add_to_string_aligned(char **str, char *buf)
 800 {
 801     char buf_aligned[STRLEN];
 802
 803     sprintf(buf_aligned, "%12s", buf);
 804     add_to_string(str, buf_aligned);
 805 }
 806
 807
 808 /* Open output file and print some general information about the rotation groups.
 809  * Call on master only */
 810 static FILE *open_rot_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
 811 {
 812     FILE       *fp;
 813     int        g,nsets;
 814     t_rotgrp   *rotg;
 815     const char **setname;
 816     char       buf[50], buf2[75];
 817     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
 818     gmx_bool   bFlex;
 819     char       *LegendStr=NULL;
 820
 821
 822     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
 823     {
 824         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 825     }
 826     else
 827     {
 828         fp = xvgropen(fn, "Rotation angles and energy", "Time (ps)", "angles (degrees) and energies (kJ/mol)", oenv);
 829         fprintf(fp, "# Output of enforced rotation data is written in intervals of %d time step%s.\n#\n", rot->nstrout, rot->nstrout > 1 ? "s":"");
 830         fprintf(fp, "# The scalar tau is the torque (kJ/mol) in the direction of the rotation vector v.\n");
 831         fprintf(fp, "# To obtain the vectorial torque, multiply tau with the group's rot_vec.\n");
 832         fprintf(fp, "# For flexible groups, tau(t,n) from all slabs n have been summed in a single value tau(t) here.\n");
 833         fprintf(fp, "# The torques tau(t,n) are found in the rottorque.log (-rt) output file\n");
 834
 835         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 836         {
 837             rotg = &rot->grp[g];
 838             erg=rotg->enfrotgrp;
 839             bFlex = ISFLEX(rotg);
 840
 841             fprintf(fp, "#\n");
 842             fprintf(fp, "# ROTATION GROUP %d, potential type '%s':\n"      , g, erotg_names[rotg->eType]);
 843             fprintf(fp, "# rot_massw%d          %s\n"                      , g, yesno_names[rotg->bMassW]);
 844             fprintf(fp, "# rot_vec%d            %12.5e %12.5e %12.5e\n"    , g, rotg->vec[XX], rotg->vec[YY], rotg->vec[ZZ]);
 845             fprintf(fp, "# rot_rate%d           %12.5e degrees/ps\n"       , g, rotg->rate);
 846             fprintf(fp, "# rot_k%d              %12.5e kJ/(mol*nm^2)\n"    , g, rotg->k);
 847             if ( rotg->eType==erotgISO || rotg->eType==erotgPM || rotg->eType==erotgRM || rotg->eType==erotgRM2)
 848                 fprintf(fp, "# rot_pivot%d          %12.5e %12.5e %12.5e  nm\n", g, rotg->pivot[XX], rotg->pivot[YY], rotg->pivot[ZZ]);
 849
 850             if (bFlex)
 851             {
 852                 fprintf(fp, "# rot_slab_distance%d   %f nm\n", g, rotg->slab_dist);
 853                 fprintf(fp, "# rot_min_gaussian%d   %12.5e\n", g, rotg->min_gaussian);
 854             }
 855
 856             /* Output the centers of the rotation groups for the pivot-free potentials */
 857             if ((rotg->eType==erotgISOPF) || (rotg->eType==erotgPMPF) || (rotg->eType==erotgRMPF) || (rotg->eType==erotgRM2PF
 858                 || (rotg->eType==erotgFLEXT) || (rotg->eType==erotgFLEX2T)) )
 859             {
 860                 fprintf(fp, "# ref. grp. %d center  %12.5e %12.5e %12.5e\n", g,
 861                             erg->xc_ref_center[XX], erg->xc_ref_center[YY], erg->xc_ref_center[ZZ]);
 862
 863                 fprintf(fp, "# grp. %d init.center  %12.5e %12.5e %12.5e\n", g,
 864                             erg->xc_center[XX], erg->xc_center[YY], erg->xc_center[ZZ]);
 865             }
 866
 867             if ( (rotg->eType == erotgRM2) || (rotg->eType==erotgFLEX2) || (rotg->eType==erotgFLEX2T) )
 868             {
 869                 fprintf(fp, "# rot_eps%d            %12.5e nm^2\n", g, rotg->eps);
 870             }
 871             if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 872             {
 873                 fprintf(fp, "#\n");
 874                 fprintf(fp, "# theta_fit%d is determined by first evaluating the potential for %d angles around theta_ref%d.\n",
 875                             g, rotg->PotAngle_nstep, g);
 876                 fprintf(fp, "# The fit angle is the one with the smallest potential. It is given as the deviation\n");
 877                 fprintf(fp, "# from the reference angle, i.e. if theta_ref=X and theta_fit=Y, then the angle with\n");
 878                 fprintf(fp, "# minimal value of the potential is X+Y. Angular resolution is %g degrees.\n", rotg->PotAngle_step);
 879             }
 880         }
 881
 882         /* Print a nice legend */
 883         snew(LegendStr, 1);
 884         LegendStr[0] = '\0';
 885         sprintf(buf, "#     %6s", "time");
 886         add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 887
 888         nsets = 0;
 889         snew(setname, 4*rot->ngrp);
 890
 891         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 892         {
 893             rotg = &rot->grp[g];
 894             sprintf(buf, "theta_ref%d", g);
 895             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 896
 897             sprintf(buf2, "%s (degrees)", buf);
 898             setname[nsets] = strdup(buf2);
 899             nsets++;
 900         }
 901         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 902         {
 903             rotg = &rot->grp[g];
 904             bFlex = ISFLEX(rotg);
 905
 906             /* For flexible axis rotation we use RMSD fitting to determine the
 907              * actual angle of the rotation group */
 908             if (bFlex || erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 909                 sprintf(buf, "theta_fit%d", g);
 910             else
 911                 sprintf(buf, "theta_av%d", g);
 912             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 913             sprintf(buf2, "%s (degrees)", buf);
 914             setname[nsets] = strdup(buf2);
 915             nsets++;
 916
 917             sprintf(buf, "tau%d", g);
 918             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 919             sprintf(buf2, "%s (kJ/mol)", buf);
 920             setname[nsets] = strdup(buf2);
 921             nsets++;
 922
 923             sprintf(buf, "energy%d", g);
 924             add_to_string_aligned(&LegendStr, buf);
 925             sprintf(buf2, "%s (kJ/mol)", buf);
 926             setname[nsets] = strdup(buf2);
 927             nsets++;
 928         }
 929         fprintf(fp, "#\n");
 930
 931         if (nsets > 1)
 932             xvgr_legend(fp, nsets, setname, oenv);
 933         sfree(setname);
 934
 935         fprintf(fp, "#\n# Legend for the following data columns:\n");
 936         fprintf(fp, "%s\n", LegendStr);
 937         sfree(LegendStr);
 938
 939         fflush(fp);
 940     }
 941
 942     return fp;
 943 }
 944
 945
 946 /* Call on master only */
 947 static FILE *open_angles_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
 948 {
 949     int      g,i;
 950     FILE     *fp;
 951     t_rotgrp *rotg;
 952     gmx_enfrotgrp_t erg;        /* Pointer to enforced rotation group data */
 953     char     buf[100];
 954
 955
 956     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
 957     {
 958         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 959     }
 960     else
 961     {
 962         /* Open output file and write some information about it's structure: */
 963         fp = open_output_file(fn, rot->nstsout, "rotation group angles");
 964         fprintf(fp, "# All angles given in degrees, time in ps.\n");
 965         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 966         {
 967             rotg = &rot->grp[g];
 968             erg=rotg->enfrotgrp;
 969
 970             /* Output for this group happens only if potential type is flexible or
 971              * if fit type is potential! */
 972             if ( ISFLEX(rotg) || (erotgFitPOT == rotg->eFittype) )
 973             {
 974                 if (ISFLEX(rotg))
 975                     sprintf(buf, " slab distance %f nm, ", rotg->slab_dist);
 976                 else
 977                     buf[0] = '\0';
 978
 979                 fprintf(fp, "#\n# ROTATION GROUP %d '%s',%s fit type '%s'.\n",
 980                         g, erotg_names[rotg->eType], buf, erotg_fitnames[rotg->eFittype]);
 981
 982                 /* Special type of fitting using the potential minimum. This is
 983                  * done for the whole group only, not for the individual slabs. */
 984                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 985                 {
 986                     fprintf(fp, "#    To obtain theta_fit%d, the potential is evaluated for %d angles around theta_ref%d\n", g, rotg->PotAngle_nstep, g);
 987                     fprintf(fp, "#    The fit angle in the rotation standard outfile is the one with minimal energy E(theta_fit) [kJ/mol].\n");
 988                     fprintf(fp, "#\n");
 989                 }
 990
 991                 fprintf(fp, "# Legend for the group %d data columns:\n", g);
 992                 fprintf(fp, "#     ");
 993                 print_aligned_short(fp, "time");
 994                 print_aligned_short(fp, "grp");
 995                 print_aligned(fp, "theta_ref");
 996
 997                 if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
 998                 {
 999                     /* Output the set of angles around the reference angle */
1000                     for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
1001                     {
1002                         sprintf(buf, "E(%g)", erg->PotAngleFit->degangle[i]);
1003                         print_aligned(fp, buf);
1004                     }
1005                 }
1006                 else
1007                 {
1008                     /* Output fit angle for each slab */
1009                     print_aligned_short(fp, "slab");
1010                     print_aligned_short(fp, "atoms");
1011                     print_aligned(fp, "theta_fit");
1012                     print_aligned_short(fp, "slab");
1013                     print_aligned_short(fp, "atoms");
1014                     print_aligned(fp, "theta_fit");
1015                     fprintf(fp, " ...");
1016                 }
1017                 fprintf(fp, "\n");
1018             }
1019         }
1020         fflush(fp);
1021     }
1022
1023     return fp;
1024 }
1025
1026
1027 /* Open torque output file and write some information about it's structure.
1028  * Call on master only */
1029 static FILE *open_torque_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv)
1030 {
1031     FILE      *fp;
1032     int       g;
1033     t_rotgrp  *rotg;
1034
1035
1036     if (rot->enfrot->Flags & MD_APPENDFILES)
1037     {
1038         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
1039     }
1040     else
1041     {
1042         fp = open_output_file(fn, rot->nstsout,"torques");
1043
1044         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
1045         {
1046             rotg = &rot->grp[g];
1047             if (ISFLEX(rotg))
1048             {
1049                 fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm.\n", g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist);
1050                 fprintf(fp, "# The scalar tau is the torque (kJ/mol) in the direction of the rotation vector.\n");
1051                 fprintf(fp, "# To obtain the vectorial torque, multiply tau with\n");
1052                 fprintf(fp, "# rot_vec%d            %10.3e %10.3e %10.3e\n", g, rotg->vec[XX], rotg->vec[YY], rotg->vec[ZZ]);
1053                 fprintf(fp, "#\n");
1054             }
1055         }
1056         fprintf(fp, "# Legend for the following data columns: (tau=torque for that slab):\n");
1057         fprintf(fp, "#     ");
1058         print_aligned_short(fp, "t");
1059         print_aligned_short(fp, "grp");
1060         print_aligned_short(fp, "slab");
1061         print_aligned(fp, "tau");
1062         print_aligned_short(fp, "slab");
1063         print_aligned(fp, "tau");
1064         fprintf(fp, " ...\n");
1065         fflush(fp);
1066     }
1067
1068     return fp;
1069 }
1070
1071
1072 static void swap_val(double* vec, int i, int j)
1073 {
1074     double tmp = vec[j];
1075
1076
1077     vec[j]=vec[i];
1078     vec[i]=tmp;
1079 }
1080
1081
1082 static void swap_col(double **mat, int i, int j)
1083 {
1084     double tmp[3] = {mat[0][j], mat[1][j], mat[2][j]};
1085
1086
1087     mat[0][j]=mat[0][i];
1088     mat[1][j]=mat[1][i];
1089     mat[2][j]=mat[2][i];
1090
1091     mat[0][i]=tmp[0];
1092     mat[1][i]=tmp[1];
1093     mat[2][i]=tmp[2];
1094 }
1095
1096
1097 /* Eigenvectors are stored in columns of eigen_vec */
1098 static void diagonalize_symmetric(
1099         double **matrix,
1100         double **eigen_vec,
1101         double eigenval[3])
1102 {
1103     int n_rot;
1104
1105
1106     jacobi(matrix,3,eigenval,eigen_vec,&n_rot);
1107
1108     /* sort in ascending order */
1109     if (eigenval[0] > eigenval[1])
1110     {
1111         swap_val(eigenval, 0, 1);
1112         swap_col(eigen_vec, 0, 1);
1113     }
1114     if (eigenval[1] > eigenval[2])
1115     {
1116         swap_val(eigenval, 1, 2);
1117         swap_col(eigen_vec, 1, 2);
1118     }
1119     if (eigenval[0] > eigenval[1])
1120     {
1121         swap_val(eigenval, 0, 1);
1122         swap_col(eigen_vec, 0, 1);
1123     }
1124 }
1125
1126
1127 static void align_with_z(
1128         rvec* s,           /* Structure to align */
1129         int natoms,
1130         rvec axis)
1131 {
1132     int    i, j, k;
1133     rvec   zet = {0.0, 0.0, 1.0};
1134     rvec   rot_axis={0.0, 0.0, 0.0};
1135     rvec   *rotated_str=NULL;
1136     real   ooanorm;
1137     real   angle;
1138     matrix rotmat;
1139
1140
1141     snew(rotated_str, natoms);
1142
1143     /* Normalize the axis */
1144     ooanorm = 1.0/norm(axis);
1145     svmul(ooanorm, axis, axis);
1146
1147     /* Calculate the angle for the fitting procedure */
1148     cprod(axis, zet, rot_axis);
1149     angle = acos(axis[2]);
1150     if (angle < 0.0)
1151         angle += M_PI;
1152
1153     /* Calculate the rotation matrix */
1154     calc_rotmat(rot_axis, angle*180.0/M_PI, rotmat);
1155
1156     /* Apply the rotation matrix to s */
1157     for (i=0; i<natoms; i++)
1158     {
1159         for(j=0; j<3; j++)
1160         {
1161             for(k=0; k<3; k++)
1162             {
1163                 rotated_str[i][j] += rotmat[j][k]*s[i][k];
1164             }
1165         }
1166     }
1167
1168     /* Rewrite the rotated structure to s */
1169     for(i=0; i<natoms; i++)
1170     {
1171         for(j=0; j<3; j++)
1172         {
1173             s[i][j]=rotated_str[i][j];
1174         }
1175     }
1176
1177     sfree(rotated_str);
1178 }
1179
1180
1181 static void calc_correl_matrix(rvec* Xstr, rvec* Ystr, double** Rmat, int natoms)
1182 {
1183     int i, j, k;
1184
1185
1186     for (i=0; i<3; i++)
1187         for (j=0; j<3; j++)
1188             Rmat[i][j] = 0.0;
1189
1190     for (i=0; i<3; i++)
1191         for (j=0; j<3; j++)
1192             for (k=0; k<natoms; k++)
1193                 Rmat[i][j] += Ystr[k][i] * Xstr[k][j];
1194 }
1195
1196
1197 static void weigh_coords(rvec* str, real* weight, int natoms)
1198 {
1199     int i, j;
1200
1201
1202     for(i=0; i<natoms; i++)
1203     {
1204         for(j=0; j<3; j++)
1205             str[i][j] *= sqrt(weight[i]);
1206     }
1207 }
1208
1209
1210 static real opt_angle_analytic(
1211         rvec* ref_s,
1212         rvec* act_s,
1213         real* weight,
1214         int natoms,
1215         rvec ref_com,
1216         rvec act_com,
1217         rvec axis)
1218 {
1219     int    i, j, k;
1220     rvec   *ref_s_1=NULL;
1221     rvec   *act_s_1=NULL;
1222     rvec   shift;
1223     double **Rmat, **RtR, **eigvec;
1224     double eigval[3];
1225     double V[3][3], WS[3][3];
1226     double rot_matrix[3][3];
1227     double opt_angle;
1228
1229
1230     /* Do not change the original coordinates */
1231     snew(ref_s_1, natoms);
1232     snew(act_s_1, natoms);
1233     for(i=0; i<natoms; i++)
1234     {
1235         copy_rvec(ref_s[i], ref_s_1[i]);
1236         copy_rvec(act_s[i], act_s_1[i]);
1237     }
1238
1239     /* Translate the structures to the origin */
1240     shift[XX] = -ref_com[XX];
1241     shift[YY] = -ref_com[YY];
1242     shift[ZZ] = -ref_com[ZZ];
1243     translate_x(ref_s_1, natoms, shift);
1244
1245     shift[XX] = -act_com[XX];
1246     shift[YY] = -act_com[YY];
1247     shift[ZZ] = -act_com[ZZ];
1248     translate_x(act_s_1, natoms, shift);
1249
1250     /* Align rotation axis with z */
1251     align_with_z(ref_s_1, natoms, axis);
1252     align_with_z(act_s_1, natoms, axis);
1253
1254     /* Correlation matrix */
1255     Rmat = allocate_square_matrix(3);
1256
1257     for (i=0; i<natoms; i++)
1258     {
1259         ref_s_1[i][2]=0.0;
1260         act_s_1[i][2]=0.0;
1261     }
1262
1263     /* Weight positions with sqrt(weight) */
1264     if (NULL != weight)
1265     {
1266         weigh_coords(ref_s_1, weight, natoms);
1267         weigh_coords(act_s_1, weight, natoms);
1268     }
1269
1270     /* Calculate correlation matrices R=YXt (X=ref_s; Y=act_s) */
1271     calc_correl_matrix(ref_s_1, act_s_1, Rmat, natoms);
1272
1273     /* Calculate RtR */
1274     RtR = allocate_square_matrix(3);
1275     for (i=0; i<3; i++)
1276     {
1277         for (j=0; j<3; j++)
1278         {
1279             for (k=0; k<3; k++)
1280             {
1281                 RtR[i][j] += Rmat[k][i] * Rmat[k][j];
1282             }
1283         }
1284     }
1285     /* Diagonalize RtR */
1286     snew(eigvec,3);
1287     for (i=0; i<3; i++)
1288         snew(eigvec[i],3);
1289
1290     diagonalize_symmetric(RtR, eigvec, eigval);
1291     swap_col(eigvec,0,1);
1292     swap_col(eigvec,1,2);
1293     swap_val(eigval,0,1);
1294     swap_val(eigval,1,2);
1295
1296     /* Calculate V */
1297     for(i=0; i<3; i++)
1298     {
1299         for(j=0; j<3; j++)
1300         {
1301             V[i][j]  = 0.0;
1302             WS[i][j] = 0.0;
1303         }
1304     }
1305
1306     for (i=0; i<2; i++)
1307         for (j=0; j<2; j++)
1308             WS[i][j] = eigvec[i][j] / sqrt(eigval[j]);
1309
1310     for (i=0; i<3; i++)
1311     {
1312         for (j=0; j<3; j++)
1313         {
1314             for (k=0; k<3; k++)
1315             {
1316                 V[i][j] += Rmat[i][k]*WS[k][j];
1317             }
1318         }
1319     }
1320     free_square_matrix(Rmat, 3);
1321
1322     /* Calculate optimal rotation matrix */
1323     for (i=0; i<3; i++)
1324         for (j=0; j<3; j++)
1325             rot_matrix[i][j] = 0.0;
1326
1327     for (i=0; i<3; i++)
1328     {
1329         for(j=0; j<3; j++)
1330         {
1331             for(k=0; k<3; k++){
1332                 rot_matrix[i][j] += eigvec[i][k]*V[j][k];
1333             }
1334         }
1335     }
1336     rot_matrix[2][2] = 1.0;
1337
1338     /* In some cases abs(rot_matrix[0][0]) can be slighly larger
1339      * than unity due to numerical inacurracies. To be able to calculate
1340      * the acos function, we put these values back in range. */
1341     if (rot_matrix[0][0] > 1.0)
1342     {
1343         rot_matrix[0][0] = 1.0;
1344     }
1345     else if (rot_matrix[0][0] < -1.0)
1346     {
1347         rot_matrix[0][0] = -1.0;
1348     }
1349
1350     /* Determine the optimal rotation angle: */
1351     opt_angle = (-1.0)*acos(rot_matrix[0][0])*180.0/M_PI;
1352     if (rot_matrix[0][1] < 0.0)
1353         opt_angle = (-1.0)*opt_angle;
1354
1355     /* Give back some memory */
1356     free_square_matrix(RtR, 3);
1357     sfree(ref_s_1);
1358     sfree(act_s_1);
1359     for (i=0; i<3; i++)
1360         sfree(eigvec[i]);
1361     sfree(eigvec);
1362
1363     return (real) opt_angle;
1364 }
1365
1366
1367 /* Determine angle of the group by RMSD fit to the reference */
1368 /* Not parallelized, call this routine only on the master */
1369 static real flex_fit_angle(t_rotgrp *rotg)
1370 {
1371     int         i;
1372     rvec        *fitcoords=NULL;
1373     rvec        center;         /* Center of positions passed to the fit routine */
1374     real        fitangle;       /* Angle of the rotation group derived by fitting */
1375     rvec        coord;
1376     real        scal;
1377     gmx_enfrotgrp_t erg;        /* Pointer to enforced rotation group data */
1378
1379
1380     erg=rotg->enfrotgrp;
1381
1382     /* Get the center of the rotation group.
1383      * Note, again, erg->xc has been sorted in do_flexible */
1384     get_center(erg->xc, erg->mc_sorted, rotg->nat, center);
1385
1386     /* === Determine the optimal fit angle for the rotation group === */
1387     if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
1388     {
1389         /* Normalize every position to it's reference length */
1390         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
1391         {
1392             /* Put the center of the positions into the origin */
1393             rvec_sub(erg->xc[i], center, coord);
1394             /* Determine the scaling factor for the length: */
1395             scal = erg->xc_ref_length[erg->xc_sortind[i]] / norm(coord);
1396             /* Get position, multiply with the scaling factor and save  */
1397             svmul(scal, coord, erg->xc_norm[i]);
1398         }
1399         fitcoords = erg->xc_norm;
1400     }
1401     else
1402     {
1403         fitcoords = erg->xc;
1404     }
1405     /* From the point of view of the current positions, the reference has rotated
1406      * backwards. Since we output the angle relative to the fixed reference,
1407      * we need the minus sign. */
1408     fitangle = -opt_angle_analytic(erg->xc_ref_sorted, fitcoords, erg->mc_sorted,
1409                                    rotg->nat, erg->xc_ref_center, center, rotg->vec);
1410
1411     return fitangle;
1412 }
1413
1414
1415 /* Determine actual angle of each slab by RMSD fit to the reference */
1416 /* Not parallelized, call this routine only on the master */
1417 static void flex_fit_angle_perslab(
1418         int  g,
1419         t_rotgrp *rotg,
1420         double t,
1421         real degangle,
1422         FILE *fp)
1423 {
1424     int         i,l,n,islab,ind;
1425     rvec        curr_x, ref_x;
1426     rvec        act_center;  /* Center of actual positions that are passed to the fit routine */
1427     rvec        ref_center;  /* Same for the reference positions */
1428     real        fitangle;    /* Angle of a slab derived from an RMSD fit to
1429                               * the reference structure at t=0  */
1430     t_gmx_slabdata *sd;
1431     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data */
1432     real        OOm_av;      /* 1/average_mass of a rotation group atom */
1433     real        m_rel;       /* Relative mass of a rotation group atom  */
1434
1435
1436     erg=rotg->enfrotgrp;
1437
1438     /* Average mass of a rotation group atom: */
1439     OOm_av = erg->invmass*rotg->nat;
1440
1441     /**********************************/
1442     /* First collect the data we need */
1443     /**********************************/
1444
1445     /* Collect the data for the individual slabs */
1446     for (n = erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1447     {
1448         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1449         sd = &(rotg->enfrotgrp->slab_data[islab]);
1450         sd->nat = erg->lastatom[islab]-erg->firstatom[islab]+1;
1451         ind = 0;
1452
1453         /* Loop over the relevant atoms in the slab */
1454         for (l=erg->firstatom[islab]; l<=erg->lastatom[islab]; l++)
1455         {
1456             /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ] */
1457             copy_rvec(erg->xc[l], curr_x);
1458
1459             /* The (unrotated) reference position of this atom is copied to ref_x.
1460              * Beware, the xc coords have been sorted in do_flexible */
1461             copy_rvec(erg->xc_ref_sorted[l], ref_x);
1462
1463             /* Save data for doing angular RMSD fit later */
1464             /* Save the current atom position */
1465             copy_rvec(curr_x, sd->x[ind]);
1466             /* Save the corresponding reference position */
1467             copy_rvec(ref_x , sd->ref[ind]);
1468
1469             /* Maybe also mass-weighting was requested. If yes, additionally
1470              * multiply the weights with the relative mass of the atom. If not,
1471              * multiply with unity. */
1472             m_rel = erg->mc_sorted[l]*OOm_av;
1473
1474             /* Save the weight for this atom in this slab */
1475             sd->weight[ind] = gaussian_weight(curr_x, rotg, n) * m_rel;
1476
1477             /* Next atom in this slab */
1478             ind++;
1479         }
1480     }
1481
1482     /******************************/
1483     /* Now do the fit calculation */
1484     /******************************/
1485
1486     fprintf(fp, "%12.3e%6d%12.3f", t, g, degangle);
1487
1488     /* === Now do RMSD fitting for each slab === */
1489     /* We require at least SLAB_MIN_ATOMS in a slab, such that the fit makes sense. */
1490 #define SLAB_MIN_ATOMS 4
1491
1492     for (n = erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1493     {
1494         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1495         sd = &(rotg->enfrotgrp->slab_data[islab]);
1496         if (sd->nat >= SLAB_MIN_ATOMS)
1497         {
1498             /* Get the center of the slabs reference and current positions */
1499             get_center(sd->ref, sd->weight, sd->nat, ref_center);
1500             get_center(sd->x  , sd->weight, sd->nat, act_center);
1501             if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
1502             {
1503                 /* Normalize every position to it's reference length
1504                  * prior to performing the fit */
1505                 for (i=0; i<sd->nat;i++) /* Center */
1506                 {
1507                     rvec_dec(sd->ref[i], ref_center);
1508                     rvec_dec(sd->x[i]  , act_center);
1509                     /* Normalize x_i such that it gets the same length as ref_i */
1510                     svmul( norm(sd->ref[i])/norm(sd->x[i]), sd->x[i], sd->x[i] );
1511                 }
1512                 /* We already subtracted the centers */
1513                 clear_rvec(ref_center);
1514                 clear_rvec(act_center);
1515             }
1516             fitangle = -opt_angle_analytic(sd->ref, sd->x, sd->weight, sd->nat,
1517                                            ref_center, act_center, rotg->vec);
1518             fprintf(fp, "%6d%6d%12.3f", n, sd->nat, fitangle);
1519         }
1520     }
1521     fprintf(fp     , "\n");
1522
1523 #undef SLAB_MIN_ATOMS
1524 }
1525
1526
1527 /* Shift x with is */
1528 static gmx_inline void shift_single_coord(matrix box, rvec x, const ivec is)
1529 {
1530     int tx,ty,tz;
1531
1532
1533     tx=is[XX];
1534     ty=is[YY];
1535     tz=is[ZZ];
1536
1537     if(TRICLINIC(box))
1538     {
1539         x[XX] += tx*box[XX][XX]+ty*box[YY][XX]+tz*box[ZZ][XX];
1540         x[YY] += ty*box[YY][YY]+tz*box[ZZ][YY];
1541         x[ZZ] += tz*box[ZZ][ZZ];
1542     } else
1543     {
1544         x[XX] += tx*box[XX][XX];
1545         x[YY] += ty*box[YY][YY];
1546         x[ZZ] += tz*box[ZZ][ZZ];
1547     }
1548 }
1549
1550
1551 /* Determine the 'home' slab of this atom which is the
1552  * slab with the highest Gaussian weight of all */
1553 #define round(a) (int)(a+0.5)
1554 static gmx_inline int get_homeslab(
1555         rvec curr_x,   /* The position for which the home slab shall be determined */
1556         rvec rotvec,   /* The rotation vector */
1557         real slabdist) /* The slab distance */
1558 {
1559     real dist;
1560
1561
1562     /* The distance of the atom to the coordinate center (where the
1563      * slab with index 0) is */
1564     dist = iprod(rotvec, curr_x);
1565
1566     return round(dist / slabdist);
1567 }
1568
1569
1570 /* For a local atom determine the relevant slabs, i.e. slabs in
1571  * which the gaussian is larger than min_gaussian
1572  */
1573 static int get_single_atom_gaussians(
1574         rvec      curr_x,
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)
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)
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 {
1783     int  count,ic,ii,j,m,n,islab,iigrp,ifit;
1784     rvec xj;                 /* position in the i-sum                         */
1785     rvec yj0;                /* the reference position in the j-sum           */
1786     rvec xcn, ycn;           /* the current and the reference slab centers    */
1787     real V;                  /* This node's part of the rotation pot. energy  */
1788     real gaussian_xj;        /* Gaussian weight                               */
1789     real beta;
1790
1791     real  numerator,fit_numerator;
1792     rvec  rjn,fit_rjn;       /* Helper variables                              */
1793     real  fac,fac2;
1794
1795     real OOpsij,OOpsijstar;
1796     real OOsigma2;           /* 1/(sigma^2)                                   */
1797     real sjn_rjn;
1798     real betasigpsi;
1799     rvec sjn,tmpvec,tmpvec2,yj0_ycn;
1800     rvec sum1vec_part,sum1vec,sum2vec_part,sum2vec,sum3vec,sum4vec,innersumvec;
1801     real sum3,sum4;
1802     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data       */
1803     real mj,wj;              /* Mass-weighting of the positions               */
1804     real N_M;                /* N/M                                           */
1805     real Wjn;                /* g_n(x_j) m_j / Mjn                            */
1806     gmx_bool bCalcPotFit;
1807
1808     /* To calculate the torque per slab */
1809     rvec slab_force;         /* Single force from slab n on one atom          */
1810     rvec slab_sum1vec_part;
1811     real slab_sum3part,slab_sum4part;
1812     rvec slab_sum1vec, slab_sum2vec, slab_sum3vec, slab_sum4vec;
1813
1814
1815     erg=rotg->enfrotgrp;
1816
1817     /* Pre-calculate the inner sums, so that we do not have to calculate
1818      * them again for every atom */
1819     flex2_precalc_inner_sum(rotg);
1820
1821     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
1822
1823     /********************************************************/
1824     /* Main loop over all local atoms of the rotation group */
1825     /********************************************************/
1826     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1827     V = 0.0;
1828     OOsigma2 = 1.0 / (sigma*sigma);
1829     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
1830     {
1831         /* Local index of a rotation group atom  */
1832         ii = erg->ind_loc[j];
1833         /* Position of this atom in the collective array */
1834         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
1835         /* Mass-weighting */
1836         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
1837         wj = N_M*mj;
1838
1839         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ]
1840          * Note that erg->xc_center contains the center of mass in case the flex2-t
1841          * potential was chosen. For the flex2 potential erg->xc_center must be
1842          * zero. */
1843         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xj);
1844
1845         /* Shift this atom such that it is near its reference */
1846         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
1847
1848         /* Determine the slabs to loop over, i.e. the ones with contributions
1849          * larger than min_gaussian */
1850         count = get_single_atom_gaussians(xj, rotg);
1851
1852         clear_rvec(sum1vec_part);
1853         clear_rvec(sum2vec_part);
1854         sum3 = 0.0;
1855         sum4 = 0.0;
1856         /* Loop over the relevant slabs for this atom */
1857         for (ic=0; ic < count; ic++)
1858         {
1859             n = erg->gn_slabind[ic];
1860
1861             /* Get the precomputed Gaussian value of curr_slab for curr_x */
1862             gaussian_xj = erg->gn_atom[ic];
1863
1864             islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1865
1866             /* The (unrotated) reference position of this atom is copied to yj0: */
1867             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0);
1868
1869             beta = calc_beta(xj, rotg,n);
1870
1871             /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1872             copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1873             /* ... and the reference center in ycn: */
1874             copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1875
1876             rvec_sub(yj0, ycn, yj0_ycn);          /* yj0_ycn = yj0 - ycn      */
1877
1878             /* Rotate: */
1879             mvmul(erg->rotmat, yj0_ycn, rjn);     /* rjn = Omega.(yj0 - ycn)  */
1880
1881             /* Subtract the slab center from xj */
1882             rvec_sub(xj, xcn, tmpvec2);           /* tmpvec2 = xj - xcn       */
1883
1884             /* Calculate sjn */
1885             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);    /* tmpvec = v x (xj - xcn)  */
1886
1887             OOpsijstar = norm2(tmpvec)+rotg->eps; /* OOpsij* = 1/psij* = |v x (xj-xcn)|^2 + eps */
1888
1889             numerator = sqr(iprod(tmpvec, rjn));
1890
1891             /*********************************/
1892             /* Add to the rotation potential */
1893             /*********************************/
1894             V += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*numerator/OOpsijstar;
1895
1896             /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
1897              * near the current reference angle */
1898             if (bCalcPotFit)
1899             {
1900                 for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
1901                 {
1902                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_ycn, fit_rjn);
1903                     fit_numerator = sqr(iprod(tmpvec, fit_rjn));
1904                     erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*fit_numerator/OOpsijstar;
1905                 }
1906             }
1907
1908             /*************************************/
1909             /* Now calculate the force on atom j */
1910             /*************************************/
1911
1912             OOpsij = norm(tmpvec);    /* OOpsij = 1 / psij = |v x (xj - xcn)| */
1913
1914                                            /*         v x (xj - xcn)          */
1915             unitv(tmpvec, sjn);            /*  sjn = ----------------         */
1916                                            /*        |v x (xj - xcn)|         */
1917
1918             sjn_rjn=iprod(sjn,rjn);        /* sjn_rjn = sjn . rjn             */
1919
1920
1921             /*** A. Calculate the first of the four sum terms: ****************/
1922             fac = OOpsij/OOpsijstar;
1923             svmul(fac, rjn, tmpvec);
1924             fac2 = fac*fac*OOpsij;
1925             svmul(fac2*sjn_rjn, sjn, tmpvec2);
1926             rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
1927             fac2 = wj*gaussian_xj; /* also needed for sum4 */
1928             svmul(fac2*sjn_rjn, tmpvec, slab_sum1vec_part);
1929             /********************/
1930             /*** Add to sum1: ***/
1931             /********************/
1932             rvec_inc(sum1vec_part, slab_sum1vec_part); /* sum1 still needs to vector multiplied with v */
1933
1934             /*** B. Calculate the forth of the four sum terms: ****************/
1935             betasigpsi = beta*OOsigma2*OOpsij; /* this is also needed for sum3 */
1936             /********************/
1937             /*** Add to sum4: ***/
1938             /********************/
1939             slab_sum4part = fac2*betasigpsi*fac*sjn_rjn*sjn_rjn; /* Note that fac is still valid from above */
1940             sum4 += slab_sum4part;
1941
1942             /*** C. Calculate Wjn for second and third sum */
1943             /* Note that we can safely divide by slab_weights since we check in
1944              * get_slab_centers that it is non-zero. */
1945             Wjn = gaussian_xj*mj/erg->slab_weights[islab];
1946
1947             /* We already have precalculated the inner sum for slab n */
1948             copy_rvec(erg->slab_innersumvec[islab], innersumvec);
1949
1950             /* Weigh the inner sum vector with Wjn */
1951             svmul(Wjn, innersumvec, innersumvec);
1952
1953             /*** E. Calculate the second of the four sum terms: */
1954             /********************/
1955             /*** Add to sum2: ***/
1956             /********************/
1957             rvec_inc(sum2vec_part, innersumvec); /* sum2 still needs to be vector crossproduct'ed with v */
1958
1959             /*** F. Calculate the third of the four sum terms: */
1960             slab_sum3part = betasigpsi * iprod(sjn, innersumvec);
1961             sum3 += slab_sum3part; /* still needs to be multiplied with v */
1962
1963             /*** G. Calculate the torque on the local slab's axis: */
1964             if (bOutstepRot)
1965             {
1966                 /* Sum1 */
1967                 cprod(slab_sum1vec_part, rotg->vec, slab_sum1vec);
1968                 /* Sum2 */
1969                 cprod(innersumvec, rotg->vec, slab_sum2vec);
1970                 /* Sum3 */
1971                 svmul(slab_sum3part, rotg->vec, slab_sum3vec);
1972                 /* Sum4 */
1973                 svmul(slab_sum4part, rotg->vec, slab_sum4vec);
1974
1975                 /* The force on atom ii from slab n only: */
1976                 for (m=0; m<DIM; m++)
1977                     slab_force[m] = rotg->k * (-slab_sum1vec[m] + slab_sum2vec[m] - slab_sum3vec[m] + 0.5*slab_sum4vec[m]);
1978
1979                 erg->slab_torque_v[islab] += torque(rotg->vec, slab_force, xj, xcn);
1980             }
1981         } /* END of loop over slabs */
1982
1983         /* Construct the four individual parts of the vector sum: */
1984         cprod(sum1vec_part, rotg->vec, sum1vec);      /* sum1vec =   { } x v  */
1985         cprod(sum2vec_part, rotg->vec, sum2vec);      /* sum2vec =   { } x v  */
1986         svmul(sum3, rotg->vec, sum3vec);              /* sum3vec =   { } . v  */
1987         svmul(sum4, rotg->vec, sum4vec);              /* sum4vec =   { } . v  */
1988
1989         /* Store the additional force so that it can be added to the force
1990          * array after the normal forces have been evaluated */
1991         for (m=0; m<DIM; m++)
1992             erg->f_rot_loc[j][m] = rotg->k * (-sum1vec[m] + sum2vec[m] - sum3vec[m] + 0.5*sum4vec[m]);
1993
1994 #ifdef SUM_PARTS
1995         fprintf(stderr, "sum1: %15.8f %15.8f %15.8f\n",    -rotg->k*sum1vec[XX],    -rotg->k*sum1vec[YY],    -rotg->k*sum1vec[ZZ]);
1996         fprintf(stderr, "sum2: %15.8f %15.8f %15.8f\n",     rotg->k*sum2vec[XX],     rotg->k*sum2vec[YY],     rotg->k*sum2vec[ZZ]);
1997         fprintf(stderr, "sum3: %15.8f %15.8f %15.8f\n",    -rotg->k*sum3vec[XX],    -rotg->k*sum3vec[YY],    -rotg->k*sum3vec[ZZ]);
1998         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]);
1999 #endif
2000
2001         PRINT_FORCE_J
2002
2003     } /* END of loop over local atoms */
2004
2005     return V;
2006 }
2007
2008
2009 static real do_flex_lowlevel(
2010         t_rotgrp *rotg,
2011         real      sigma,     /* The Gaussian width sigma                      */
2012         rvec      x[],
2013         gmx_bool  bOutstepRot,
2014         gmx_bool  bOutstepSlab,
2015         matrix    box)
2016 {
2017     int   count,ic,ifit,ii,j,m,n,islab,iigrp;
2018     rvec  xj,yj0;            /* current and reference position                */
2019     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
2020     rvec  yj0_ycn;           /* yj0 - ycn                                     */
2021     rvec  xj_xcn;            /* xj - xcn                                      */
2022     rvec  qjn,fit_qjn;       /* q_i^n                                         */
2023     rvec  sum_n1,sum_n2;     /* Two contributions to the rotation force       */
2024     rvec  innersumvec;       /* Inner part of sum_n2                          */
2025     rvec  s_n;
2026     rvec  force_n;           /* Single force from slab n on one atom          */
2027     rvec  force_n1,force_n2; /* First and second part of force_n              */
2028     rvec  tmpvec,tmpvec2,tmp_f;   /* Helper variables                         */
2029     real  V;                 /* The rotation potential energy                 */
2030     real  OOsigma2;          /* 1/(sigma^2)                                   */
2031     real  beta;              /* beta_n(xj)                                    */
2032     real  bjn, fit_bjn;      /* b_j^n                                         */
2033     real  gaussian_xj;       /* Gaussian weight gn(xj)                        */
2034     real  betan_xj_sigma2;
2035     real  mj,wj;             /* Mass-weighting of the positions               */
2036     real  N_M;               /* N/M                                           */
2037     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data       */
2038     gmx_bool bCalcPotFit;
2039
2040
2041     erg=rotg->enfrotgrp;
2042
2043     /* Pre-calculate the inner sums, so that we do not have to calculate
2044      * them again for every atom */
2045     flex_precalc_inner_sum(rotg);
2046
2047     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2048
2049     /********************************************************/
2050     /* Main loop over all local atoms of the rotation group */
2051     /********************************************************/
2052     OOsigma2 = 1.0/(sigma*sigma);
2053     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2054     V = 0.0;
2055     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2056     {
2057         /* Local index of a rotation group atom  */
2058         ii = erg->ind_loc[j];
2059         /* Position of this atom in the collective array */
2060         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2061         /* Mass-weighting */
2062         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
2063         wj = N_M*mj;
2064
2065         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ]
2066          * Note that erg->xc_center contains the center of mass in case the flex-t
2067          * potential was chosen. For the flex potential erg->xc_center must be
2068          * zero. */
2069         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xj);
2070
2071         /* Shift this atom such that it is near its reference */
2072         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
2073
2074         /* Determine the slabs to loop over, i.e. the ones with contributions
2075          * larger than min_gaussian */
2076         count = get_single_atom_gaussians(xj, rotg);
2077
2078         clear_rvec(sum_n1);
2079         clear_rvec(sum_n2);
2080
2081         /* Loop over the relevant slabs for this atom */
2082         for (ic=0; ic < count; ic++)
2083         {
2084             n = erg->gn_slabind[ic];
2085
2086             /* Get the precomputed Gaussian for xj in slab n */
2087             gaussian_xj = erg->gn_atom[ic];
2088
2089             islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
2090
2091             /* The (unrotated) reference position of this atom is saved in yj0: */
2092             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0);
2093
2094             beta = calc_beta(xj, rotg, n);
2095
2096             /* The current center of this slab is saved in xcn: */
2097             copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
2098             /* ... and the reference center in ycn: */
2099             copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
2100
2101             rvec_sub(yj0, ycn, yj0_ycn); /* yj0_ycn = yj0 - ycn */
2102
2103             /* Rotate: */
2104             mvmul(erg->rotmat, yj0_ycn, tmpvec2); /* tmpvec2= Omega.(yj0-ycn) */
2105
2106             /* Subtract the slab center from xj */
2107             rvec_sub(xj, xcn, xj_xcn);           /* xj_xcn = xj - xcn         */
2108
2109             /* Calculate qjn */
2110             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec); /* tmpvec= v x Omega.(yj0-ycn) */
2111
2112                                  /*         v x Omega.(yj0-ycn)    */
2113             unitv(tmpvec,qjn);   /*  qjn = ---------------------   */
2114                                  /*        |v x Omega.(yj0-ycn)|   */
2115
2116             bjn = iprod(qjn, xj_xcn);   /* bjn = qjn * (xj - xcn) */
2117
2118             /*********************************/
2119             /* Add to the rotation potential */
2120             /*********************************/
2121             V += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*sqr(bjn);
2122
2123             /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2124              * near the current reference angle */
2125             if (bCalcPotFit)
2126             {
2127                 for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2128                 {
2129                     /* As above calculate Omega.(yj0-ycn), now for the other angles */
2130                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_ycn, tmpvec2); /* tmpvec2= Omega.(yj0-ycn) */
2131                     /* As above calculate qjn */
2132                     cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec); /* tmpvec= v x Omega.(yj0-ycn) */
2133                                              /*             v x Omega.(yj0-ycn)    */
2134                     unitv(tmpvec,fit_qjn);   /*  fit_qjn = ---------------------   */
2135                                              /*            |v x Omega.(yj0-ycn)|   */
2136                     fit_bjn = iprod(fit_qjn, xj_xcn);   /* fit_bjn = fit_qjn * (xj - xcn) */
2137                     /* Add to the rotation potential for this angle */
2138                     erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*sqr(fit_bjn);
2139                 }
2140             }
2141
2142             /****************************************************************/
2143             /* sum_n1 will typically be the main contribution to the force: */
2144             /****************************************************************/
2145             betan_xj_sigma2 = beta*OOsigma2;  /*  beta_n(xj)/sigma^2  */
2146
2147             /* The next lines calculate
2148              *  qjn - (bjn*beta(xj)/(2sigma^2))v  */
2149             svmul(bjn*0.5*betan_xj_sigma2, rotg->vec, tmpvec2);
2150             rvec_sub(qjn,tmpvec2,tmpvec);
2151
2152             /* Multiply with gn(xj)*bjn: */
2153             svmul(gaussian_xj*bjn,tmpvec,tmpvec2);
2154
2155             /* Sum over n: */
2156             rvec_inc(sum_n1,tmpvec2);
2157
2158             /* We already have precalculated the Sn term for slab n */
2159             copy_rvec(erg->slab_innersumvec[islab], s_n);
2160                                                                           /*          beta_n(xj)              */
2161             svmul(betan_xj_sigma2*iprod(s_n, xj_xcn), rotg->vec, tmpvec); /* tmpvec = ---------- s_n (xj-xcn) */
2162                                                                           /*            sigma^2               */
2163
2164             rvec_sub(s_n, tmpvec, innersumvec);
2165
2166             /* We can safely divide by slab_weights since we check in get_slab_centers
2167              * that it is non-zero. */
2168             svmul(gaussian_xj/erg->slab_weights[islab], innersumvec, innersumvec);
2169
2170             rvec_add(sum_n2, innersumvec, sum_n2);
2171
2172             /* Calculate the torque: */
2173             if (bOutstepRot)
2174             {
2175                 /* The force on atom ii from slab n only: */
2176                 svmul(-rotg->k*wj, tmpvec2    , force_n1); /* part 1 */
2177                 svmul( rotg->k*mj, innersumvec, force_n2); /* part 2 */
2178                 rvec_add(force_n1, force_n2, force_n);
2179                 erg->slab_torque_v[islab] += torque(rotg->vec, force_n, xj, xcn);
2180             }
2181         } /* END of loop over slabs */
2182
2183         /* Put both contributions together: */
2184         svmul(wj, sum_n1, sum_n1);
2185         svmul(mj, sum_n2, sum_n2);
2186         rvec_sub(sum_n2,sum_n1,tmp_f); /* F = -grad V */
2187
2188         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2189          * array after the normal forces have been evaluated */
2190         for(m=0; m<DIM; m++)
2191             erg->f_rot_loc[j][m] = rotg->k*tmp_f[m];
2192
2193         PRINT_FORCE_J
2194
2195     } /* END of loop over local atoms */
2196
2197     return V;
2198 }
2199
2200 #ifdef PRINT_COORDS
2201 static void print_coordinates(t_rotgrp *rotg, rvec x[], matrix box, int step)
2202 {
2203     int i;
2204     static FILE *fp;
2205     static char buf[STRLEN];
2206     static gmx_bool bFirst=1;
2207
2208
2209     if (bFirst)
2210     {
2211         sprintf(buf, "coords%d.txt", cr->nodeid);
2212         fp = fopen(buf, "w");
2213         bFirst = 0;
2214     }
2215
2216     fprintf(fp, "\nStep %d\n", step);
2217     fprintf(fp, "box: %f %f %f %f %f %f %f %f %f\n",
2218             box[XX][XX], box[XX][YY], box[XX][ZZ],
2219             box[YY][XX], box[YY][YY], box[YY][ZZ],
2220             box[ZZ][XX], box[ZZ][ZZ], box[ZZ][ZZ]);
2221     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2222     {
2223         fprintf(fp, "%4d  %f %f %f\n", i,
2224                 erg->xc[i][XX], erg->xc[i][YY], erg->xc[i][ZZ]);
2225     }
2226     fflush(fp);
2227
2228 }
2229 #endif
2230
2231
2232 static int projection_compare(const void *a, const void *b)
2233 {
2234     sort_along_vec_t *xca, *xcb;
2235
2236
2237     xca = (sort_along_vec_t *)a;
2238     xcb = (sort_along_vec_t *)b;
2239
2240     if (xca->xcproj < xcb->xcproj)
2241         return -1;
2242     else if (xca->xcproj > xcb->xcproj)
2243         return 1;
2244     else
2245         return 0;
2246 }
2247
2248
2249 static void sort_collective_coordinates(
2250         t_rotgrp *rotg,         /* Rotation group */
2251         sort_along_vec_t *data) /* Buffer for sorting the positions */
2252 {
2253     int i;
2254     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2255
2256
2257     erg=rotg->enfrotgrp;
2258
2259     /* The projection of the position vector on the rotation vector is
2260      * the relevant value for sorting. Fill the 'data' structure */
2261     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2262     {
2263         data[i].xcproj = iprod(erg->xc[i], rotg->vec);  /* sort criterium */
2264         data[i].m      = erg->mc[i];
2265         data[i].ind    = i;
2266         copy_rvec(erg->xc[i]    , data[i].x    );
2267         copy_rvec(rotg->x_ref[i], data[i].x_ref);
2268     }
2269     /* Sort the 'data' structure */
2270     gmx_qsort(data, rotg->nat, sizeof(sort_along_vec_t), projection_compare);
2271
2272     /* Copy back the sorted values */
2273     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2274     {
2275         copy_rvec(data[i].x    , erg->xc[i]           );
2276         copy_rvec(data[i].x_ref, erg->xc_ref_sorted[i]);
2277         erg->mc_sorted[i]  = data[i].m;
2278         erg->xc_sortind[i] = data[i].ind;
2279     }
2280 }
2281
2282
2283 /* For each slab, get the first and the last index of the sorted atom
2284  * indices */
2285 static void get_firstlast_atom_per_slab(t_rotgrp *rotg)
2286 {
2287     int i,islab,n;
2288     real beta;
2289     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data */
2290
2291
2292     erg=rotg->enfrotgrp;
2293
2294     /* Find the first atom that needs to enter the calculation for each slab */
2295     n = erg->slab_first;  /* slab */
2296     i = 0; /* start with the first atom */
2297     do
2298     {
2299         /* Find the first atom that significantly contributes to this slab */
2300         do /* move forward in position until a large enough beta is found */
2301         {
2302             beta = calc_beta(erg->xc[i], rotg, n);
2303             i++;
2304         } while ((beta < -erg->max_beta) && (i < rotg->nat));
2305         i--;
2306         islab = n - erg->slab_first;  /* slab index */
2307         erg->firstatom[islab] = i;
2308         /* Proceed to the next slab */
2309         n++;
2310     } while (n <= erg->slab_last);
2311
2312     /* Find the last atom for each slab */
2313      n = erg->slab_last; /* start with last slab */
2314      i = rotg->nat-1;  /* start with the last atom */
2315      do
2316      {
2317          do /* move backward in position until a large enough beta is found */
2318          {
2319              beta = calc_beta(erg->xc[i], rotg, n);
2320              i--;
2321          } while ((beta > erg->max_beta) && (i > -1));
2322          i++;
2323          islab = n - erg->slab_first;  /* slab index */
2324          erg->lastatom[islab] = i;
2325          /* Proceed to the next slab */
2326          n--;
2327      } while (n >= erg->slab_first);
2328 }
2329
2330
2331 /* Determine the very first and very last slab that needs to be considered
2332  * For the first slab that needs to be considered, we have to find the smallest
2333  * n that obeys:
2334  *
2335  * x_first * v - n*Delta_x <= beta_max
2336  *
2337  * slab index n, slab distance Delta_x, rotation vector v. For the last slab we
2338  * have to find the largest n that obeys
2339  *
2340  * x_last * v - n*Delta_x >= -beta_max
2341  *
2342  */
2343 static gmx_inline int get_first_slab(
2344         t_rotgrp *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2345         real     max_beta,  /* The max_beta value, instead of min_gaussian */
2346         rvec     firstatom) /* First atom after sorting along the rotation vector v */
2347 {
2348     /* Find the first slab for the first atom */
2349     return ceil((iprod(firstatom, rotg->vec) - max_beta)/rotg->slab_dist);
2350 }
2351
2352
2353 static gmx_inline int get_last_slab(
2354         t_rotgrp *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2355         real     max_beta,  /* The max_beta value, instead of min_gaussian */
2356         rvec     lastatom)  /* Last atom along v */
2357 {
2358     /* Find the last slab for the last atom */
2359     return floor((iprod(lastatom, rotg->vec) + max_beta)/rotg->slab_dist);
2360 }
2361
2362
2363 static void get_firstlast_slab_check(
2364         t_rotgrp        *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2365         t_gmx_enfrotgrp *erg,      /* The rotation group (data only accessible in this file) */
2366         rvec            firstatom, /* First atom after sorting along the rotation vector v */
2367         rvec            lastatom,  /* Last atom along v */
2368         int             g)         /* The rotation group number */
2369 {
2370     erg->slab_first = get_first_slab(rotg, erg->max_beta, firstatom);
2371     erg->slab_last  = get_last_slab(rotg, erg->max_beta, lastatom);
2372
2373     /* Check whether we have reference data to compare against */
2374     if (erg->slab_first < erg->slab_first_ref)
2375         gmx_fatal(FARGS, "%s No reference data for first slab (n=%d), unable to proceed.",
2376                   RotStr, erg->slab_first);
2377
2378     /* Check whether we have reference data to compare against */
2379     if (erg->slab_last > erg->slab_last_ref)
2380         gmx_fatal(FARGS, "%s No reference data for last slab (n=%d), unable to proceed.",
2381                   RotStr, erg->slab_last);
2382 }
2383
2384
2385 /* Enforced rotation with a flexible axis */
2386 static void do_flexible(
2387         gmx_bool  bMaster,
2388         gmx_enfrot_t enfrot,    /* Other rotation data                        */
2389         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2390         int       g,            /* Group number                               */
2391         rvec      x[],          /* The local positions                        */
2392         matrix    box,
2393         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2394         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2395         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2396         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2397 {
2398     int          l,nslabs;
2399     real         sigma;       /* The Gaussian width sigma */
2400     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
2401
2402
2403     erg=rotg->enfrotgrp;
2404
2405     /* Define the sigma value */
2406     sigma = 0.7*rotg->slab_dist;
2407
2408     /* Sort the collective coordinates erg->xc along the rotation vector. This is
2409      * an optimization for the inner loop. */
2410     sort_collective_coordinates(rotg, enfrot->data);
2411
2412     /* Determine the first relevant slab for the first atom and the last
2413      * relevant slab for the last atom */
2414     get_firstlast_slab_check(rotg, erg, erg->xc[0], erg->xc[rotg->nat-1], g);
2415
2416     /* Determine for each slab depending on the min_gaussian cutoff criterium,
2417      * a first and a last atom index inbetween stuff needs to be calculated */
2418     get_firstlast_atom_per_slab(rotg);
2419
2420     /* Determine the gaussian-weighted center of positions for all slabs */
2421     get_slab_centers(rotg,erg->xc,erg->mc_sorted,g,t,enfrot->out_slabs,bOutstepSlab,FALSE);
2422
2423     /* Clear the torque per slab from last time step: */
2424     nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
2425     for (l=0; l<nslabs; l++)
2426         erg->slab_torque_v[l] = 0.0;
2427
2428     /* Call the rotational forces kernel */
2429     if (rotg->eType == erotgFLEX || rotg->eType == erotgFLEXT)
2430         erg->V = do_flex_lowlevel(rotg, sigma, x, bOutstepRot, bOutstepSlab, box);
2431     else if (rotg->eType == erotgFLEX2 || rotg->eType == erotgFLEX2T)
2432         erg->V = do_flex2_lowlevel(rotg, sigma, x, bOutstepRot, bOutstepSlab, box);
2433     else
2434         gmx_fatal(FARGS, "Unknown flexible rotation type");
2435
2436     /* Determine angle by RMSD fit to the reference - Let's hope this */
2437     /* only happens once in a while, since this is not parallelized! */
2438     if ( bMaster && (erotgFitPOT != rotg->eFittype) )
2439     {
2440         if (bOutstepRot)
2441         {
2442             /* Fit angle of the whole rotation group */
2443             erg->angle_v = flex_fit_angle(rotg);
2444         }
2445         if (bOutstepSlab)
2446         {
2447             /* Fit angle of each slab */
2448             flex_fit_angle_perslab(g, rotg, t, erg->degangle, enfrot->out_angles);
2449         }
2450     }
2451
2452     /* Lump together the torques from all slabs: */
2453     erg->torque_v = 0.0;
2454     for (l=0; l<nslabs; l++)
2455          erg->torque_v += erg->slab_torque_v[l];
2456 }
2457
2458
2459 /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom,
2460  * both projected into a plane perpendicular to the rotation vector: */
2461 static void angle(t_rotgrp *rotg,
2462         rvec x_act,
2463         rvec x_ref,
2464         real *alpha,
2465         real *weight)  /* atoms near the rotation axis should count less than atoms far away */
2466 {
2467     rvec xp, xrp;  /* current and reference positions projected on a plane perpendicular to pg->vec */
2468     rvec dum;
2469
2470
2471     /* Project x_ref and x into a plane through the origin perpendicular to rot_vec: */
2472     /* Project x_ref: xrp = x_ref - (vec * x_ref) * vec */
2473     svmul(iprod(rotg->vec, x_ref), rotg->vec, dum);
2474     rvec_sub(x_ref, dum, xrp);
2475     /* Project x_act: */
2476     svmul(iprod(rotg->vec, x_act), rotg->vec, dum);
2477     rvec_sub(x_act, dum, xp);
2478
2479     /* Retrieve information about which vector precedes. gmx_angle always
2480      * returns a positive angle. */
2481     cprod(xp, xrp, dum); /* if reference precedes, this is pointing into the same direction as vec */
2482
2483     if (iprod(rotg->vec, dum) >= 0)
2484         *alpha = -gmx_angle(xrp, xp);
2485     else
2486         *alpha = +gmx_angle(xrp, xp);
2487
2488     /* Also return the weight */
2489     *weight = norm(xp);
2490 }
2491
2492
2493 /* Project first vector onto a plane perpendicular to the second vector
2494  * dr = dr - (dr.v)v
2495  * Note that v must be of unit length.
2496  */
2497 static gmx_inline void project_onto_plane(rvec dr, const rvec v)
2498 {
2499     rvec tmp;
2500
2501
2502     svmul(iprod(dr,v),v,tmp);  /* tmp = (dr.v)v */
2503     rvec_dec(dr, tmp);         /* dr = dr - (dr.v)v */
2504 }
2505
2506
2507 /* Fixed rotation: The rotation reference group rotates around the v axis. */
2508 /* The atoms of the actual rotation group are attached with imaginary  */
2509 /* springs to the reference atoms.                                     */
2510 static void do_fixed(
2511         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2512         rvec      x[],          /* The positions                              */
2513         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2514         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2515         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2516         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2517         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2518 {
2519     int       ifit,j,jj,m;
2520     rvec      dr;
2521     rvec      tmp_f;           /* Force */
2522     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2523     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2524     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2525     rvec      xi_xc;           /* xi - xc */
2526     gmx_bool  bCalcPotFit;
2527     rvec      fit_xr_loc;
2528
2529     /* for mass weighting: */
2530     real      wi;              /* Mass-weighting of the positions */
2531     real      N_M;             /* N/M */
2532     real      k_wi;            /* k times wi */
2533
2534     gmx_bool  bProject;
2535
2536
2537     erg=rotg->enfrotgrp;
2538     bProject = (rotg->eType==erotgPM) || (rotg->eType==erotgPMPF);
2539     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2540
2541     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2542
2543     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2544     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2545     {
2546         /* Calculate (x_i-x_c) resp. (x_i-u) */
2547         rvec_sub(erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center, xi_xc);
2548
2549         /* Calculate Omega*(y_i-y_c)-(x_i-x_c) */
2550         rvec_sub(erg->xr_loc[j], xi_xc, dr);
2551
2552         if (bProject)
2553             project_onto_plane(dr, rotg->vec);
2554
2555         /* Mass-weighting */
2556         wi = N_M*erg->m_loc[j];
2557
2558         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2559          * array after the normal forces have been evaluated */
2560         k_wi = rotg->k*wi;
2561         for (m=0; m<DIM; m++)
2562         {
2563             tmp_f[m]             = k_wi*dr[m];
2564             erg->f_rot_loc[j][m] = tmp_f[m];
2565             erg->V              += 0.5*k_wi*sqr(dr[m]);
2566         }
2567
2568         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2569          * near the current reference angle */
2570         if (bCalcPotFit)
2571         {
2572             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2573             {
2574                 /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
2575                 jj = erg->xc_ref_ind[j];
2576
2577                 /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
2578                  * just for a single local atom */
2579                 mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], rotg->x_ref[jj], fit_xr_loc); /* fit_xr_loc = Omega*(y_i-y_c) */
2580
2581                 /* Calculate Omega*(y_i-y_c)-(x_i-x_c) */
2582                 rvec_sub(fit_xr_loc, xi_xc, dr);
2583
2584                 if (bProject)
2585                     project_onto_plane(dr, rotg->vec);
2586
2587                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
2588                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*k_wi*norm2(dr);
2589             }
2590         }
2591
2592         if (bOutstepRot)
2593         {
2594             /* Add to the torque of this rotation group */
2595             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center);
2596
2597             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2598             angle(rotg, xi_xc, erg->xr_loc[j], &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2599             erg->angle_v  += alpha * weight;
2600             erg->weight_v += weight;
2601         }
2602         /* If you want enforced rotation to contribute to the virial,
2603          * activate the following lines:
2604             if (MASTER(cr))
2605             {
2606                Add the rotation contribution to the virial
2607               for(j=0; j<DIM; j++)
2608                 for(m=0;m<DIM;m++)
2609                   vir[j][m] += 0.5*f[ii][j]*dr[m];
2610             }
2611          */
2612
2613         PRINT_FORCE_J
2614
2615     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2616 }
2617
2618
2619 /* Calculate the radial motion potential and forces */
2620 static void do_radial_motion(
2621         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2622         rvec      x[],          /* The positions                              */
2623         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2624         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2625         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2626         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2627         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2628 {
2629     int       j,jj,ifit;
2630     rvec      tmp_f;           /* Force */
2631     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2632     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2633     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2634     rvec      xj_u;            /* xj - u */
2635     rvec      tmpvec,fit_tmpvec;
2636     real      fac,fac2,sum=0.0;
2637     rvec      pj;
2638     gmx_bool  bCalcPotFit;
2639
2640     /* For mass weighting: */
2641     real      wj;              /* Mass-weighting of the positions */
2642     real      N_M;             /* N/M */
2643
2644
2645     erg=rotg->enfrotgrp;
2646     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2647
2648     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2649
2650     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2651     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2652     {
2653         /* Calculate (xj-u) */
2654         rvec_sub(erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center, xj_u);  /* xj_u = xj-u */
2655
2656         /* Calculate Omega.(yj0-u) */
2657         cprod(rotg->vec, erg->xr_loc[j], tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-u) */
2658
2659                               /*         v x Omega.(yj0-u)     */
2660         unitv(tmpvec, pj);    /*  pj = ---------------------   */
2661                               /*       | v x Omega.(yj0-u) |   */
2662
2663         fac = iprod(pj, xj_u);  /* fac = pj.(xj-u) */
2664         fac2 = fac*fac;
2665
2666         /* Mass-weighting */
2667         wj = N_M*erg->m_loc[j];
2668
2669         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2670          * array after the normal forces have been evaluated */
2671         svmul(-rotg->k*wj*fac, pj, tmp_f);
2672         copy_rvec(tmp_f, erg->f_rot_loc[j]);
2673         sum += wj*fac2;
2674
2675         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2676          * near the current reference angle */
2677         if (bCalcPotFit)
2678         {
2679             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2680             {
2681                 /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
2682                 jj = erg->xc_ref_ind[j];
2683
2684                 /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
2685                  * just for a single local atom */
2686                 mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], rotg->x_ref[jj], fit_tmpvec); /* fit_tmpvec = Omega*(yj0-u) */
2687
2688                 /* Calculate Omega.(yj0-u) */
2689                 cprod(rotg->vec, fit_tmpvec, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-u) */
2690                                       /*         v x Omega.(yj0-u)     */
2691                 unitv(tmpvec, pj);    /*  pj = ---------------------   */
2692                                       /*       | v x Omega.(yj0-u) |   */
2693
2694                 fac = iprod(pj, xj_u);  /* fac = pj.(xj-u) */
2695                 fac2 = fac*fac;
2696
2697                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
2698                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*fac2;
2699             }
2700         }
2701
2702         if (bOutstepRot)
2703         {
2704             /* Add to the torque of this rotation group */
2705             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center);
2706
2707             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2708             angle(rotg, xj_u, erg->xr_loc[j], &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2709             erg->angle_v  += alpha * weight;
2710             erg->weight_v += weight;
2711         }
2712
2713         PRINT_FORCE_J
2714
2715     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2716     erg->V = 0.5*rotg->k*sum;
2717 }
2718
2719
2720 /* Calculate the radial motion pivot-free potential and forces */
2721 static void do_radial_motion_pf(
2722         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2723         rvec      x[],          /* The positions                              */
2724         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2725         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2726         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2727         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2728         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2729 {
2730     int       i,ii,iigrp,ifit,j;
2731     rvec      xj;              /* Current position */
2732     rvec      xj_xc;           /* xj  - xc  */
2733     rvec      yj0_yc0;         /* yj0 - yc0 */
2734     rvec      tmp_f;           /* Force */
2735     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2736     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2737     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2738     rvec      tmpvec, tmpvec2;
2739     rvec      innersumvec;     /* Precalculation of the inner sum */
2740     rvec      innersumveckM;
2741     real      fac,fac2,V=0.0;
2742     rvec      qi,qj;
2743     gmx_bool  bCalcPotFit;
2744
2745     /* For mass weighting: */
2746     real      mj,wi,wj;        /* Mass-weighting of the positions */
2747     real      N_M;             /* N/M */
2748
2749
2750     erg=rotg->enfrotgrp;
2751     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2752
2753     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2754
2755     /* Get the current center of the rotation group: */
2756     get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2757
2758     /* Precalculate Sum_i [ wi qi.(xi-xc) qi ] which is needed for every single j */
2759     clear_rvec(innersumvec);
2760     for (i=0; i < rotg->nat; i++)
2761     {
2762         /* Mass-weighting */
2763         wi = N_M*erg->mc[i];
2764
2765         /* Calculate qi. Note that xc_ref_center has already been subtracted from
2766          * x_ref in init_rot_group.*/
2767         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[i], tmpvec);  /* tmpvec  = Omega.(yi0-yc0) */
2768
2769         cprod(rotg->vec, tmpvec, tmpvec2);          /* tmpvec2 = v x Omega.(yi0-yc0) */
2770
2771                               /*         v x Omega.(yi0-yc0)     */
2772         unitv(tmpvec2, qi);   /*  qi = -----------------------   */
2773                               /*       | v x Omega.(yi0-yc0) |   */
2774
2775         rvec_sub(erg->xc[i], erg->xc_center, tmpvec);  /* tmpvec = xi-xc */
2776
2777         svmul(wi*iprod(qi, tmpvec), qi, tmpvec2);
2778
2779         rvec_inc(innersumvec, tmpvec2);
2780     }
2781     svmul(rotg->k*erg->invmass, innersumvec, innersumveckM);
2782
2783     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2784     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2785     {
2786         /* Local index of a rotation group atom  */
2787         ii = erg->ind_loc[j];
2788         /* Position of this atom in the collective array */
2789         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2790         /* Mass-weighting */
2791         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
2792         wj = N_M*mj;
2793
2794         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ] */
2795         copy_rvec(x[ii], xj);
2796
2797         /* Shift this atom such that it is near its reference */
2798         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
2799
2800         /* The (unrotated) reference position is yj0. yc0 has already
2801          * been subtracted in init_rot_group */
2802         copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0_yc0);   /* yj0_yc0 = yj0 - yc0      */
2803
2804         /* Calculate Omega.(yj0-yc0) */
2805         mvmul(erg->rotmat, yj0_yc0, tmpvec2);     /* tmpvec2 = Omega.(yj0 - yc0)  */
2806
2807         cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-yc0) */
2808
2809                               /*         v x Omega.(yj0-yc0)     */
2810         unitv(tmpvec, qj);    /*  qj = -----------------------   */
2811                               /*       | v x Omega.(yj0-yc0) |   */
2812
2813         /* Calculate (xj-xc) */
2814         rvec_sub(xj, erg->xc_center, xj_xc);  /* xj_xc = xj-xc */
2815
2816         fac = iprod(qj, xj_xc);  /* fac = qj.(xj-xc) */
2817         fac2 = fac*fac;
2818
2819         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2820          * array after the normal forces have been evaluated */
2821         svmul(-rotg->k*wj*fac, qj, tmp_f); /* part 1 of force */
2822         svmul(mj, innersumveckM, tmpvec);  /* part 2 of force */
2823         rvec_inc(tmp_f, tmpvec);
2824         copy_rvec(tmp_f, erg->f_rot_loc[j]);
2825         V += wj*fac2;
2826
2827         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
2828          * near the current reference angle */
2829         if (bCalcPotFit)
2830         {
2831             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
2832             {
2833                 /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
2834                  * just for a single local atom */
2835                 mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_yc0, tmpvec2); /* tmpvec2 = Omega*(yj0-yc0) */
2836
2837                 /* Calculate Omega.(yj0-u) */
2838                 cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-yc0) */
2839                                       /*         v x Omega.(yj0-yc0)     */
2840                 unitv(tmpvec, qj);    /*  qj = -----------------------   */
2841                                       /*       | v x Omega.(yj0-yc0) |   */
2842
2843                 fac = iprod(qj, xj_xc);  /* fac = qj.(xj-xc) */
2844                 fac2 = fac*fac;
2845
2846                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
2847                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*fac2;
2848             }
2849         }
2850
2851         if (bOutstepRot)
2852         {
2853             /* Add to the torque of this rotation group */
2854             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, xj, erg->xc_center);
2855
2856             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2857             angle(rotg, xj_xc, yj0_yc0, &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2858             erg->angle_v  += alpha * weight;
2859             erg->weight_v += weight;
2860         }
2861
2862         PRINT_FORCE_J
2863
2864     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2865     erg->V = 0.5*rotg->k*V;
2866 }
2867
2868
2869 /* Precalculate the inner sum for the radial motion 2 forces */
2870 static void radial_motion2_precalc_inner_sum(t_rotgrp  *rotg, rvec innersumvec)
2871 {
2872     int       i;
2873     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2874     rvec      xi_xc;           /* xj - xc */
2875     rvec      tmpvec,tmpvec2;
2876     real      fac,fac2;
2877     rvec      ri,si;
2878     real      siri;
2879     rvec      v_xi_xc;          /* v x (xj - u) */
2880     real      psii,psiistar;
2881     real      wi;              /* Mass-weighting of the positions */
2882     real      N_M;             /* N/M */
2883     rvec      sumvec;
2884
2885     erg=rotg->enfrotgrp;
2886     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2887
2888     /* Loop over the collective set of positions */
2889     clear_rvec(sumvec);
2890     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2891     {
2892         /* Mass-weighting */
2893         wi = N_M*erg->mc[i];
2894
2895         rvec_sub(erg->xc[i], erg->xc_center, xi_xc); /* xi_xc = xi-xc         */
2896
2897         /* Calculate ri. Note that xc_ref_center has already been subtracted from
2898          * x_ref in init_rot_group.*/
2899         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[i], ri);      /* ri  = Omega.(yi0-yc0) */
2900
2901         cprod(rotg->vec, xi_xc, v_xi_xc);            /* v_xi_xc = v x (xi-u)  */
2902
2903         fac = norm2(v_xi_xc);
2904                                           /*                      1           */
2905         psiistar = 1.0/(fac + rotg->eps); /* psiistar = --------------------- */
2906                                           /*            |v x (xi-xc)|^2 + eps */
2907
2908         psii = gmx_invsqrt(fac);          /*                 1                */
2909                                           /*  psii    = -------------         */
2910                                           /*            |v x (xi-xc)|         */
2911
2912         svmul(psii, v_xi_xc, si);          /*  si = psii * (v x (xi-xc) )     */
2913
2914         fac = iprod(v_xi_xc, ri);                   /* fac = (v x (xi-xc)).ri */
2915         fac2 = fac*fac;
2916
2917         siri = iprod(si, ri);                       /* siri = si.ri           */
2918
2919         svmul(psiistar/psii, ri, tmpvec);
2920         svmul(psiistar*psiistar/(psii*psii*psii) * siri, si, tmpvec2);
2921         rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
2922         cprod(tmpvec, rotg->vec, tmpvec2);
2923
2924         svmul(wi*siri, tmpvec2, tmpvec);
2925
2926         rvec_inc(sumvec, tmpvec);
2927     }
2928     svmul(rotg->k*erg->invmass, sumvec, innersumvec);
2929 }
2930
2931
2932 /* Calculate the radial motion 2 potential and forces */
2933 static void do_radial_motion2(
2934         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2935         rvec      x[],          /* The positions                              */
2936         matrix    box,          /* The simulation box                         */
2937         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2938         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2939         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2940         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2941 {
2942     int       ii,iigrp,ifit,j;
2943     rvec      xj;              /* Position */
2944     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2945     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2946     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2947     rvec      xj_u;            /* xj - u */
2948     rvec      yj0_yc0;         /* yj0 -yc0 */
2949     rvec      tmpvec,tmpvec2;
2950     real      fac,fit_fac,fac2,Vpart=0.0;
2951     rvec      rj,fit_rj,sj;
2952     real      sjrj;
2953     rvec      v_xj_u;          /* v x (xj - u) */
2954     real      psij,psijstar;
2955     real      mj,wj;           /* For mass-weighting of the positions */
2956     real      N_M;             /* N/M */
2957     gmx_bool  bPF;
2958     rvec      innersumvec;
2959     gmx_bool  bCalcPotFit;
2960
2961
2962     erg=rotg->enfrotgrp;
2963
2964     bPF = rotg->eType==erotgRM2PF;
2965     bCalcPotFit = (bOutstepRot || bOutstepSlab) && (erotgFitPOT==rotg->eFittype);
2966
2967
2968     clear_rvec(yj0_yc0); /* Make the compiler happy */
2969
2970     clear_rvec(innersumvec);
2971     if (bPF)
2972     {
2973         /* For the pivot-free variant we have to use the current center of
2974          * mass of the rotation group instead of the pivot u */
2975         get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2976
2977         /* Also, we precalculate the second term of the forces that is identical
2978          * (up to the weight factor mj) for all forces */
2979         radial_motion2_precalc_inner_sum(rotg,innersumvec);
2980     }
2981
2982     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2983
2984     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2985     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2986     {
2987         if (bPF)
2988         {
2989             /* Local index of a rotation group atom  */
2990             ii = erg->ind_loc[j];
2991             /* Position of this atom in the collective array */
2992             iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2993             /* Mass-weighting */
2994             mj = erg->mc[iigrp];
2995
2996             /* Current position of this atom: x[ii] */
2997             copy_rvec(x[ii], xj);
2998
2999             /* Shift this atom such that it is near its reference */
3000             shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
3001
3002             /* The (unrotated) reference position is yj0. yc0 has already
3003              * been subtracted in init_rot_group */
3004             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0_yc0);   /* yj0_yc0 = yj0 - yc0  */
3005
3006             /* Calculate Omega.(yj0-yc0) */
3007             mvmul(erg->rotmat, yj0_yc0, rj);         /* rj = Omega.(yj0-yc0)  */
3008         }
3009         else
3010         {
3011             mj = erg->m_loc[j];
3012             copy_rvec(erg->x_loc_pbc[j], xj);
3013             copy_rvec(erg->xr_loc[j], rj);           /* rj = Omega.(yj0-u)    */
3014         }
3015         /* Mass-weighting */
3016         wj = N_M*mj;
3017
3018         /* Calculate (xj-u) resp. (xj-xc) */
3019         rvec_sub(xj, erg->xc_center, xj_u);          /* xj_u = xj-u           */
3020
3021         cprod(rotg->vec, xj_u, v_xj_u);              /* v_xj_u = v x (xj-u)   */
3022
3023         fac = norm2(v_xj_u);
3024                                           /*                      1           */
3025         psijstar = 1.0/(fac + rotg->eps); /*  psistar = --------------------  */
3026                                           /*            |v x (xj-u)|^2 + eps  */
3027
3028         psij = gmx_invsqrt(fac);          /*                 1                */
3029                                           /*  psij    = ------------          */
3030                                           /*            |v x (xj-u)|          */
3031
3032         svmul(psij, v_xj_u, sj);          /*  sj = psij * (v x (xj-u) )       */
3033
3034         fac = iprod(v_xj_u, rj);                     /* fac = (v x (xj-u)).rj */
3035         fac2 = fac*fac;
3036
3037         sjrj = iprod(sj, rj);                        /* sjrj = sj.rj          */
3038
3039         svmul(psijstar/psij, rj, tmpvec);
3040         svmul(psijstar*psijstar/(psij*psij*psij) * sjrj, sj, tmpvec2);
3041         rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
3042         cprod(tmpvec, rotg->vec, tmpvec2);
3043
3044         /* Store the additional force so that it can be added to the force
3045          * array after the normal forces have been evaluated */
3046         svmul(-rotg->k*wj*sjrj, tmpvec2, tmpvec);
3047         svmul(mj, innersumvec, tmpvec2);  /* This is != 0 only for the pivot-free variant */
3048
3049         rvec_add(tmpvec2, tmpvec, erg->f_rot_loc[j]);
3050         Vpart += wj*psijstar*fac2;
3051
3052         /* If requested, also calculate the potential for a set of angles
3053          * near the current reference angle */
3054         if (bCalcPotFit)
3055         {
3056             for (ifit = 0; ifit < rotg->PotAngle_nstep; ifit++)
3057             {
3058                 if (bPF)
3059                 {
3060                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], yj0_yc0, fit_rj); /* fit_rj = Omega.(yj0-yc0) */
3061                 }
3062                 else
3063                 {
3064                     /* Position of this atom in the collective array */
3065                     iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
3066                     /* Rotate with the alternative angle. Like rotate_local_reference(),
3067                      * just for a single local atom */
3068                     mvmul(erg->PotAngleFit->rotmat[ifit], rotg->x_ref[iigrp], fit_rj); /* fit_rj = Omega*(yj0-u) */
3069                 }
3070                 fit_fac = iprod(v_xj_u, fit_rj); /* fac = (v x (xj-u)).fit_rj */
3071                 /* Add to the rotation potential for this angle: */
3072                 erg->PotAngleFit->V[ifit] += 0.5*rotg->k*wj*psijstar*fit_fac*fit_fac;
3073             }
3074         }
3075
3076         if (bOutstepRot)
3077         {
3078             /* Add to the torque of this rotation group */
3079             erg->torque_v += torque(rotg->vec, erg->f_rot_loc[j], xj, erg->xc_center);
3080
3081             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
3082             angle(rotg, xj_u, rj, &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
3083             erg->angle_v  += alpha * weight;
3084             erg->weight_v += weight;
3085         }
3086
3087         PRINT_FORCE_J
3088
3089     } /* end of loop over local rotation group atoms */
3090     erg->V = 0.5*rotg->k*Vpart;
3091 }
3092
3093
3094 /* Determine the smallest and largest position vector (with respect to the
3095  * rotation vector) for the reference group */
3096 static void get_firstlast_atom_ref(
3097         t_rotgrp  *rotg,
3098         int       *firstindex,
3099         int       *lastindex)
3100 {
3101     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
3102     int i;
3103     real xcproj;               /* The projection of a reference position on the
3104                                   rotation vector */
3105     real minproj, maxproj;     /* Smallest and largest projection on v */
3106
3107
3108
3109     erg=rotg->enfrotgrp;
3110
3111     /* Start with some value */
3112     minproj = iprod(rotg->x_ref[0], rotg->vec);
3113     maxproj = minproj;
3114
3115     /* This is just to ensure that it still works if all the atoms of the
3116      * reference structure are situated in a plane perpendicular to the rotation
3117      * vector */
3118     *firstindex = 0;
3119     *lastindex  = rotg->nat-1;
3120
3121     /* Loop over all atoms of the reference group,
3122      * project them on the rotation vector to find the extremes */
3123     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3124     {
3125         xcproj = iprod(rotg->x_ref[i], rotg->vec);
3126         if (xcproj < minproj)
3127         {
3128             minproj = xcproj;
3129             *firstindex = i;
3130         }
3131         if (xcproj > maxproj)
3132         {
3133             maxproj = xcproj;
3134             *lastindex = i;
3135         }
3136     }
3137 }
3138
3139
3140 /* Allocate memory for the slabs */
3141 static void allocate_slabs(
3142         t_rotgrp  *rotg,
3143         FILE      *fplog,
3144         int       g,
3145         gmx_bool  bVerbose)
3146 {
3147     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3148     int i, nslabs;
3149
3150
3151     erg=rotg->enfrotgrp;
3152
3153     /* More slabs than are defined for the reference are never needed */
3154     nslabs = erg->slab_last_ref - erg->slab_first_ref + 1;
3155
3156     /* Remember how many we allocated */
3157     erg->nslabs_alloc = nslabs;
3158
3159     if ( (NULL != fplog) && bVerbose )
3160         fprintf(fplog, "%s allocating memory to store data for %d slabs (rotation group %d).\n",
3161                 RotStr, nslabs,g);
3162     snew(erg->slab_center     , nslabs);
3163     snew(erg->slab_center_ref , nslabs);
3164     snew(erg->slab_weights    , nslabs);
3165     snew(erg->slab_torque_v   , nslabs);
3166     snew(erg->slab_data       , nslabs);
3167     snew(erg->gn_atom         , nslabs);
3168     snew(erg->gn_slabind      , nslabs);
3169     snew(erg->slab_innersumvec, nslabs);
3170     for (i=0; i<nslabs; i++)
3171     {
3172         snew(erg->slab_data[i].x     , rotg->nat);
3173         snew(erg->slab_data[i].ref   , rotg->nat);
3174         snew(erg->slab_data[i].weight, rotg->nat);
3175     }
3176     snew(erg->xc_ref_sorted, rotg->nat);
3177     snew(erg->xc_sortind   , rotg->nat);
3178     snew(erg->firstatom    , nslabs);
3179     snew(erg->lastatom     , nslabs);
3180 }
3181
3182
3183 /* From the extreme coordinates of the reference group, determine the first
3184  * and last slab of the reference. We can never have more slabs in the real
3185  * simulation than calculated here for the reference.
3186  */
3187 static void get_firstlast_slab_ref(t_rotgrp *rotg, real mc[], int ref_firstindex, int ref_lastindex)
3188 {
3189     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3190     int first,last,firststart;
3191     rvec dummy;
3192
3193
3194     erg=rotg->enfrotgrp;
3195     first = get_first_slab(rotg, erg->max_beta, rotg->x_ref[ref_firstindex]);
3196     last  = get_last_slab( rotg, erg->max_beta, rotg->x_ref[ref_lastindex ]);
3197     firststart = first;
3198
3199     while (get_slab_weight(first, rotg, rotg->x_ref, mc, &dummy) > WEIGHT_MIN)
3200     {
3201         first--;
3202     }
3203     erg->slab_first_ref = first+1;
3204     while (get_slab_weight(last, rotg, rotg->x_ref, mc, &dummy) > WEIGHT_MIN)
3205     {
3206         last++;
3207     }
3208     erg->slab_last_ref  = last-1;
3209
3210     erg->slab_buffer = firststart - erg->slab_first_ref;
3211 }
3212
3213
3214 /* Special version of copy_rvec:
3215  * During the copy procedure of xcurr to b, the correct PBC image is chosen
3216  * such that the copied vector ends up near its reference position xref */
3217 static inline void copy_correct_pbc_image(
3218         const rvec  xcurr,            /* copy vector xcurr ...                */
3219         rvec        b,                /* ... to b ...                         */
3220         const rvec  xref,   /* choosing the PBC image such that b ends up near xref */
3221         matrix      box,
3222         int         npbcdim)
3223 {
3224     rvec  dx;
3225     int   d,m;
3226     ivec  shift;
3227
3228
3229     /* Shortest PBC distance between the atom and its reference */
3230     rvec_sub(xcurr, xref, dx);
3231
3232     /* Determine the shift for this atom */
3233     clear_ivec(shift);
3234     for(m=npbcdim-1; m>=0; m--)
3235     {
3236         while (dx[m] < -0.5*box[m][m])
3237         {
3238             for(d=0; d<DIM; d++)
3239                 dx[d] += box[m][d];
3240             shift[m]++;
3241         }
3242         while (dx[m] >= 0.5*box[m][m])
3243         {
3244             for(d=0; d<DIM; d++)
3245                 dx[d] -= box[m][d];
3246             shift[m]--;
3247         }
3248     }
3249
3250     /* Apply the shift to the position */
3251     copy_rvec(xcurr, b);
3252     shift_single_coord(box, b, shift);
3253 }
3254
3255
3256 static void init_rot_group(FILE *fplog,t_commrec *cr,int g,t_rotgrp *rotg,
3257         rvec *x,gmx_mtop_t *mtop,gmx_bool bVerbose,FILE *out_slabs, matrix box,
3258         gmx_bool bOutputCenters)
3259 {
3260     int i,ii;
3261     rvec        coord,*xdum;
3262     gmx_bool    bFlex,bColl;
3263     t_atom      *atom;
3264     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3265     int         ref_firstindex, ref_lastindex;
3266     gmx_mtop_atomlookup_t alook=NULL;
3267     real        mass,totalmass;
3268     real        start=0.0;
3269
3270
3271     /* Do we have a flexible axis? */
3272     bFlex = ISFLEX(rotg);
3273     /* Do we use a global set of coordinates? */
3274     bColl = ISCOLL(rotg);
3275
3276     erg=rotg->enfrotgrp;
3277
3278     /* Allocate space for collective coordinates if needed */
3279     if (bColl)
3280     {
3281         snew(erg->xc        , rotg->nat);
3282         snew(erg->xc_shifts , rotg->nat);
3283         snew(erg->xc_eshifts, rotg->nat);
3284
3285         /* Save the original (whole) set of positions such that later the
3286          * molecule can always be made whole again */
3287         snew(erg->xc_old    , rotg->nat);
3288         if (MASTER(cr))
3289         {
3290             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3291             {
3292                 ii = rotg->ind[i];
3293                 copy_correct_pbc_image(x[ii], erg->xc_old[i],rotg->x_ref[i],box,3);
3294             }
3295         }
3296 #ifdef GMX_MPI
3297         if (PAR(cr))
3298             gmx_bcast(rotg->nat*sizeof(erg->xc_old[0]),erg->xc_old, cr);
3299 #endif
3300
3301         if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
3302         {
3303             snew(erg->xc_ref_length, rotg->nat); /* in case fit type NORM is chosen */
3304             snew(erg->xc_norm      , rotg->nat);
3305         }
3306     }
3307     else
3308     {
3309         snew(erg->xr_loc   , rotg->nat);
3310         snew(erg->x_loc_pbc, rotg->nat);
3311     }
3312
3313     snew(erg->f_rot_loc , rotg->nat);
3314     snew(erg->xc_ref_ind, rotg->nat);
3315
3316     /* Make space for the calculation of the potential at other angles (used
3317      * for fitting only) */
3318     if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
3319     {
3320         snew(erg->PotAngleFit, 1);
3321         snew(erg->PotAngleFit->degangle, rotg->PotAngle_nstep);
3322         snew(erg->PotAngleFit->V       , rotg->PotAngle_nstep);
3323         snew(erg->PotAngleFit->rotmat  , rotg->PotAngle_nstep);
3324
3325         /* Get the set of angles around the reference angle */
3326         start = -0.5 * (rotg->PotAngle_nstep - 1)*rotg->PotAngle_step;
3327         for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
3328             erg->PotAngleFit->degangle[i] = start + i*rotg->PotAngle_step;
3329     }
3330     else
3331     {
3332         erg->PotAngleFit = NULL;
3333     }
3334
3335     /* xc_ref_ind needs to be set to identity in the serial case */
3336     if (!PAR(cr))
3337         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3338             erg->xc_ref_ind[i] = i;
3339
3340     /* Copy the masses so that the center can be determined. For all types of
3341      * enforced rotation, we store the masses in the erg->mc array. */
3342     if (rotg->bMassW)
3343     {
3344         alook = gmx_mtop_atomlookup_init(mtop);
3345     }
3346     snew(erg->mc, rotg->nat);
3347     if (bFlex)
3348         snew(erg->mc_sorted, rotg->nat);
3349     if (!bColl)
3350         snew(erg->m_loc, rotg->nat);
3351     totalmass=0.0;
3352     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3353     {
3354         if (rotg->bMassW)
3355         {
3356             gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook,rotg->ind[i],&atom);
3357             mass=atom->m;
3358         }
3359         else
3360         {
3361             mass=1.0;
3362         }
3363         erg->mc[i] = mass;
3364         totalmass += mass;
3365     }
3366     erg->invmass = 1.0/totalmass;
3367
3368     if (rotg->bMassW)
3369     {
3370         gmx_mtop_atomlookup_destroy(alook);
3371     }
3372
3373     /* Set xc_ref_center for any rotation potential */
3374     if ((rotg->eType==erotgISO) || (rotg->eType==erotgPM) || (rotg->eType==erotgRM) || (rotg->eType==erotgRM2))
3375     {
3376         /* Set the pivot point for the fixed, stationary-axis potentials. This
3377          * won't change during the simulation */
3378         copy_rvec(rotg->pivot, erg->xc_ref_center);
3379         copy_rvec(rotg->pivot, erg->xc_center    );
3380     }
3381     else
3382     {
3383         /* Center of the reference positions */
3384         get_center(rotg->x_ref, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_ref_center);
3385
3386         /* Center of the actual positions */
3387         if (MASTER(cr))
3388         {
3389             snew(xdum, rotg->nat);
3390             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3391             {
3392                 ii = rotg->ind[i];
3393                 copy_rvec(x[ii], xdum[i]);
3394             }
3395             get_center(xdum, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
3396             sfree(xdum);
3397         }
3398 #ifdef GMX_MPI
3399         if (PAR(cr))
3400             gmx_bcast(sizeof(erg->xc_center), erg->xc_center, cr);
3401 #endif
3402     }
3403
3404     if ( (rotg->eType != erotgFLEX) && (rotg->eType != erotgFLEX2) )
3405     {
3406         /* Put the reference positions into origin: */
3407         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3408             rvec_dec(rotg->x_ref[i], erg->xc_ref_center);
3409     }
3410
3411     /* Enforced rotation with flexible axis */
3412     if (bFlex)
3413     {
3414         /* Calculate maximum beta value from minimum gaussian (performance opt.) */
3415         erg->max_beta = calc_beta_max(rotg->min_gaussian, rotg->slab_dist);
3416
3417         /* Determine the smallest and largest coordinate with respect to the rotation vector */
3418         get_firstlast_atom_ref(rotg, &ref_firstindex, &ref_lastindex);
3419
3420         /* From the extreme coordinates of the reference group, determine the first
3421          * and last slab of the reference. */
3422         get_firstlast_slab_ref(rotg, erg->mc, ref_firstindex, ref_lastindex);
3423
3424         /* Allocate memory for the slabs */
3425         allocate_slabs(rotg, fplog, g, bVerbose);
3426
3427         /* Flexible rotation: determine the reference centers for the rest of the simulation */
3428         erg->slab_first = erg->slab_first_ref;
3429         erg->slab_last = erg->slab_last_ref;
3430         get_slab_centers(rotg,rotg->x_ref,erg->mc,g,-1,out_slabs,bOutputCenters,TRUE);
3431
3432         /* Length of each x_rotref vector from center (needed if fit routine NORM is chosen): */
3433         if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
3434         {
3435             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3436             {
3437                 rvec_sub(rotg->x_ref[i], erg->xc_ref_center, coord);
3438                 erg->xc_ref_length[i] = norm(coord);
3439             }
3440         }
3441     }
3442 }
3443
3444
3445 extern void dd_make_local_rotation_groups(gmx_domdec_t *dd,t_rot *rot)
3446 {
3447     gmx_ga2la_t ga2la;
3448     int g;
3449     t_rotgrp *rotg;
3450     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3451
3452     ga2la = dd->ga2la;
3453
3454     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3455     {
3456         rotg = &rot->grp[g];
3457         erg  = rotg->enfrotgrp;
3458
3459
3460         dd_make_local_group_indices(ga2la,rotg->nat,rotg->ind,
3461                 &erg->nat_loc,&erg->ind_loc,&erg->nalloc_loc,erg->xc_ref_ind);
3462     }
3463 }
3464
3465
3466 /* Calculate the size of the MPI buffer needed in reduce_output() */
3467 static int calc_mpi_bufsize(t_rot *rot)
3468 {
3469     int g;
3470     int count_group, count_total;
3471     t_rotgrp *rotg;
3472     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3473
3474
3475     count_total = 0;
3476     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
3477     {
3478         rotg = &rot->grp[g];
3479         erg  = rotg->enfrotgrp;
3480
3481         /* Count the items that are transferred for this group: */
3482         count_group = 4; /* V, torque, angle, weight */
3483
3484         /* Add the maximum number of slabs for flexible groups */
3485         if (ISFLEX(rotg))
3486             count_group += erg->slab_last_ref - erg->slab_first_ref + 1;
3487
3488         /* Add space for the potentials at different angles: */
3489         if (erotgFitPOT == rotg->eFittype)
3490             count_group += rotg->PotAngle_nstep;
3491
3492         /* Add to the total number: */
3493         count_total += count_group;
3494     }
3495
3496     return count_total;
3497 }
3498
3499
3500 extern void init_rot(FILE *fplog,t_inputrec *ir,int nfile,const t_filenm fnm[],
3501         t_commrec *cr, rvec *x, matrix box, gmx_mtop_t *mtop, const output_env_t oenv,
3502         gmx_bool bVerbose, unsigned long Flags)
3503 {
3504     t_rot    *rot;
3505     t_rotgrp *rotg;
3506     int      g;
3507     int      nat_max=0;     /* Size of biggest rotation group */
3508     gmx_enfrot_t er;        /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3509     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
3510     rvec     *x_pbc=NULL;   /* Space for the pbc-correct atom positions */
3511
3512
3513     if ( (PAR(cr)) && !DOMAINDECOMP(cr) )
3514         gmx_fatal(FARGS, "Enforced rotation is only implemented for domain decomposition!");
3515
3516     if ( MASTER(cr) && bVerbose)
3517         fprintf(stdout, "%s Initializing ...\n", RotStr);
3518
3519     rot = ir->rot;
3520     snew(rot->enfrot, 1);
3521     er = rot->enfrot;
3522     er->Flags = Flags;
3523
3524     /* When appending, skip first output to avoid duplicate entries in the data files */
3525     if (er->Flags & MD_APPENDFILES)
3526         er->bOut = FALSE;
3527     else
3528         er->bOut = TRUE;
3529
3530     if ( MASTER(cr) && er->bOut )
3531         please_cite(fplog, "Kutzner2011");
3532
3533     /* Output every step for reruns */
3534     if (er->Flags & MD_RERUN)
3535     {
3536         if (NULL != fplog)
3537             fprintf(fplog, "%s rerun - will write rotation output every available step.\n", RotStr);
3538         rot->nstrout = 1;
3539         rot->nstsout = 1;
3540     }
3541
3542     er->out_slabs = NULL;
3543     if ( MASTER(cr) && HaveFlexibleGroups(rot) )
3544         er->out_slabs = open_slab_out(opt2fn("-rs",nfile,fnm), rot, oenv);
3545
3546     if (MASTER(cr))
3547     {
3548         /* Remove pbc, make molecule whole.
3549          * When ir->bContinuation=TRUE this has already been done, but ok. */
3550         snew(x_pbc,mtop->natoms);
3551         m_rveccopy(mtop->natoms,x,x_pbc);
3552         do_pbc_first_mtop(NULL,ir->ePBC,box,mtop,x_pbc);
3553         /* All molecules will be whole now, but not necessarily in the home box.
3554          * Additionally, if a rotation group consists of more than one molecule
3555          * (e.g. two strands of DNA), each one of them can end up in a different
3556          * periodic box. This is taken care of in init_rot_group.  */
3557     }
3558
3559     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
3560     {
3561         rotg = &rot->grp[g];
3562
3563         if (NULL != fplog)
3564             fprintf(fplog,"%s group %d type '%s'\n", RotStr, g, erotg_names[rotg->eType]);
3565
3566         if (rotg->nat > 0)
3567         {
3568             /* Allocate space for the rotation group's data: */
3569             snew(rotg->enfrotgrp, 1);
3570             erg  = rotg->enfrotgrp;
3571
3572             nat_max=max(nat_max, rotg->nat);
3573
3574             if (PAR(cr))
3575             {
3576                 erg->nat_loc    = 0;
3577                 erg->nalloc_loc = 0;
3578                 erg->ind_loc    = NULL;
3579             }
3580             else
3581             {
3582                 erg->nat_loc = rotg->nat;
3583                 erg->ind_loc = rotg->ind;
3584             }
3585             init_rot_group(fplog,cr,g,rotg,x_pbc,mtop,bVerbose,er->out_slabs,box,
3586                            !(er->Flags & MD_APPENDFILES) ); /* Do not output the reference centers
3587                                                              * again if we are appending */
3588         }
3589     }
3590
3591     /* Allocate space for enforced rotation buffer variables */
3592     er->bufsize = nat_max;
3593     snew(er->data, nat_max);
3594     snew(er->xbuf, nat_max);
3595     snew(er->mbuf, nat_max);
3596
3597     /* Buffers for MPI reducing torques, angles, weights (for each group), and V */
3598     if (PAR(cr))
3599     {
3600         er->mpi_bufsize = calc_mpi_bufsize(rot) + 100; /* larger to catch errors */
3601         snew(er->mpi_inbuf , er->mpi_bufsize);
3602         snew(er->mpi_outbuf, er->mpi_bufsize);
3603     }
3604     else
3605     {
3606         er->mpi_bufsize = 0;
3607         er->mpi_inbuf = NULL;
3608         er->mpi_outbuf = NULL;
3609     }
3610
3611     /* Only do I/O on the MASTER */
3612     er->out_angles  = NULL;
3613     er->out_rot     = NULL;
3614     er->out_torque  = NULL;
3615     if (MASTER(cr))
3616     {
3617         er->out_rot = open_rot_out(opt2fn("-ro",nfile,fnm), rot, oenv);
3618
3619         if (rot->nstsout > 0)
3620         {
3621             if ( HaveFlexibleGroups(rot) || HavePotFitGroups(rot) )
3622                 er->out_angles  = open_angles_out(opt2fn("-ra",nfile,fnm), rot, oenv);
3623             if ( HaveFlexibleGroups(rot) )
3624                 er->out_torque  = open_torque_out(opt2fn("-rt",nfile,fnm), rot, oenv);
3625         }
3626
3627         sfree(x_pbc);
3628     }
3629 }
3630
3631
3632 extern void finish_rot(FILE *fplog,t_rot *rot)
3633 {
3634     gmx_enfrot_t er;        /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3635
3636
3637     er=rot->enfrot;
3638     if (er->out_rot)
3639         gmx_fio_fclose(er->out_rot);
3640     if (er->out_slabs)
3641         gmx_fio_fclose(er->out_slabs);
3642     if (er->out_angles)
3643         gmx_fio_fclose(er->out_angles);
3644     if (er->out_torque)
3645         gmx_fio_fclose(er->out_torque);
3646 }
3647
3648
3649 /* Rotate the local reference positions and store them in
3650  * erg->xr_loc[0...(nat_loc-1)]
3651  *
3652  * Note that we already subtracted u or y_c from the reference positions
3653  * in init_rot_group().
3654  */
3655 static void rotate_local_reference(t_rotgrp *rotg)
3656 {
3657     gmx_enfrotgrp_t erg;
3658     int i,ii;
3659
3660
3661     erg=rotg->enfrotgrp;
3662
3663     for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3664     {
3665         /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
3666         ii = erg->xc_ref_ind[i];
3667         /* Rotate */
3668         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[ii], erg->xr_loc[i]);
3669     }
3670 }
3671
3672
3673 /* Select the PBC representation for each local x position and store that
3674  * for later usage. We assume the right PBC image of an x is the one nearest to
3675  * its rotated reference */
3676 static void choose_pbc_image(rvec x[], t_rotgrp *rotg, matrix box, int npbcdim)
3677 {
3678     int i,ii;
3679     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
3680     rvec xref;
3681
3682
3683     erg=rotg->enfrotgrp;
3684
3685     for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3686     {
3687         /* Index of a rotation group atom  */
3688         ii = erg->ind_loc[i];
3689
3690         /* Get the reference position. The pivot was already
3691          * subtracted in init_rot_group() from the reference positions. Also,
3692          * the reference positions have already been rotated in
3693          * rotate_local_reference() */
3694         copy_rvec(erg->xr_loc[i], xref);
3695
3696         copy_correct_pbc_image(x[ii],erg->x_loc_pbc[i], xref, box, npbcdim);
3697     }
3698 }
3699
3700
3701 extern void do_rotation(
3702         t_commrec *cr,
3703         t_inputrec *ir,
3704         matrix box,
3705         rvec x[],
3706         real t,
3707         gmx_large_int_t step,
3708         gmx_wallcycle_t wcycle,
3709         gmx_bool bNS)
3710 {
3711     int      g,i,ii;
3712     t_rot    *rot;
3713     t_rotgrp *rotg;
3714     gmx_bool outstep_slab, outstep_rot;
3715     gmx_bool bFlex,bColl;
3716     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3717     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
3718     rvec     transvec;
3719     t_gmx_potfit *fit=NULL;     /* For fit type 'potential' determine the fit
3720                                    angle via the potential minimum            */
3721
3722     /* Enforced rotation cycle counting: */
3723     gmx_cycles_t cycles_comp;   /* Cycles for the enf. rotation computation
3724                                    only, does not count communication. This
3725                                    counter is used for load-balancing         */
3726
3727 #ifdef TAKETIME
3728     double t0;
3729 #endif
3730
3731     rot=ir->rot;
3732     er=rot->enfrot;
3733
3734     /* When to output in main rotation output file */
3735     outstep_rot  = do_per_step(step, rot->nstrout) && er->bOut;
3736     /* When to output per-slab data */
3737     outstep_slab = do_per_step(step, rot->nstsout) && er->bOut;
3738
3739     /* Output time into rotation output file */
3740     if (outstep_rot && MASTER(cr))
3741         fprintf(er->out_rot, "%12.3e",t);
3742
3743     /**************************************************************************/
3744     /* First do ALL the communication! */
3745     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3746     {
3747         rotg = &rot->grp[g];
3748         erg=rotg->enfrotgrp;
3749
3750         /* Do we have a flexible axis? */
3751         bFlex = ISFLEX(rotg);
3752         /* Do we use a collective (global) set of coordinates? */
3753         bColl = ISCOLL(rotg);
3754
3755         /* Calculate the rotation matrix for this angle: */
3756         erg->degangle = rotg->rate * t;
3757         calc_rotmat(rotg->vec,erg->degangle,erg->rotmat);
3758
3759         if (bColl)
3760         {
3761             /* Transfer the rotation group's positions such that every node has
3762              * all of them. Every node contributes its local positions x and stores
3763              * it in the collective erg->xc array. */
3764             communicate_group_positions(cr,erg->xc, erg->xc_shifts, erg->xc_eshifts, bNS,
3765                     x, rotg->nat, erg->nat_loc, erg->ind_loc, erg->xc_ref_ind, erg->xc_old, box);
3766         }
3767         else
3768         {
3769             /* Fill the local masses array;
3770              * this array changes in DD/neighborsearching steps */
3771             if (bNS)
3772             {
3773                 for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3774                 {
3775                     /* Index of local atom w.r.t. the collective rotation group */
3776                     ii = erg->xc_ref_ind[i];
3777                     erg->m_loc[i] = erg->mc[ii];
3778                 }
3779             }
3780
3781             /* Calculate Omega*(y_i-y_c) for the local positions */
3782             rotate_local_reference(rotg);
3783
3784             /* Choose the nearest PBC images of the group atoms with respect
3785              * to the rotated reference positions */
3786             choose_pbc_image(x, rotg, box, 3);
3787
3788             /* Get the center of the rotation group */
3789             if ( (rotg->eType==erotgISOPF) || (rotg->eType==erotgPMPF) )
3790                 get_center_comm(cr, erg->x_loc_pbc, erg->m_loc, erg->nat_loc, rotg->nat, erg->xc_center);
3791         }
3792
3793     } /* End of loop over rotation groups */
3794
3795     /**************************************************************************/
3796     /* Done communicating, we can start to count cycles for the load balancing now ... */
3797     cycles_comp = gmx_cycles_read();
3798
3799
3800 #ifdef TAKETIME
3801     t0 = MPI_Wtime();
3802 #endif
3803
3804     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3805     {
3806         rotg = &rot->grp[g];
3807         erg=rotg->enfrotgrp;
3808
3809         bFlex = ISFLEX(rotg);
3810         bColl = ISCOLL(rotg);
3811
3812         if (outstep_rot && MASTER(cr))
3813             fprintf(er->out_rot, "%12.4f", erg->degangle);
3814
3815         /* Calculate angles and rotation matrices for potential fitting: */
3816         if ( (outstep_rot || outstep_slab) && (erotgFitPOT == rotg->eFittype) )
3817         {
3818             fit = erg->PotAngleFit;
3819             for (i = 0; i < rotg->PotAngle_nstep; i++)
3820             {
3821                 calc_rotmat(rotg->vec, erg->degangle + fit->degangle[i], fit->rotmat[i]);
3822
3823                 /* Clear value from last step */
3824                 erg->PotAngleFit->V[i] = 0.0;
3825             }
3826         }
3827
3828         /* Clear values from last time step */
3829         erg->V        = 0.0;
3830         erg->torque_v = 0.0;
3831         erg->angle_v  = 0.0;
3832         erg->weight_v = 0.0;
3833
3834         switch(rotg->eType)
3835         {
3836             case erotgISO:
3837             case erotgISOPF:
3838             case erotgPM:
3839             case erotgPMPF:
3840                 do_fixed(rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3841                 break;
3842             case erotgRM:
3843                 do_radial_motion(rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3844                 break;
3845             case erotgRMPF:
3846                 do_radial_motion_pf(rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3847                 break;
3848             case erotgRM2:
3849             case erotgRM2PF:
3850                 do_radial_motion2(rotg,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3851                 break;
3852             case erotgFLEXT:
3853             case erotgFLEX2T:
3854                 /* Subtract the center of the rotation group from the collective positions array
3855                  * Also store the center in erg->xc_center since it needs to be subtracted
3856                  * in the low level routines from the local coordinates as well */
3857                 get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
3858                 svmul(-1.0, erg->xc_center, transvec);
3859                 translate_x(erg->xc, rotg->nat, transvec);
3860                 do_flexible(MASTER(cr),er,rotg,g,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3861                 break;
3862             case erotgFLEX:
3863             case erotgFLEX2:
3864                 /* Do NOT subtract the center of mass in the low level routines! */
3865                 clear_rvec(erg->xc_center);
3866                 do_flexible(MASTER(cr),er,rotg,g,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3867                 break;
3868             default:
3869                 gmx_fatal(FARGS, "No such rotation potential.");
3870                 break;
3871         }
3872     }
3873
3874 #ifdef TAKETIME
3875     if (MASTER(cr))
3876         fprintf(stderr, "%s calculation (step %d) took %g seconds.\n", RotStr, step, MPI_Wtime()-t0);
3877 #endif
3878
3879     /* Stop the enforced rotation cycle counter and add the computation-only
3880      * cycles to the force cycles for load balancing */
3881     cycles_comp  = gmx_cycles_read() - cycles_comp;
3882
3883     if (DOMAINDECOMP(cr) && wcycle)
3884         dd_cycles_add(cr->dd,cycles_comp,ddCyclF);
3885 }