src/sans.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2011,2012,2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 #include <iostream>
  36
  37 #include <gromacs/trajectoryanalysis.h>
  38 #include <gromacs/selection/nbsearch.h>
  39 #include <gromacs/math/vec.h>
  40 #include <gromacs/math/units.h>
  41 #include <gromacs/topology/atomprop.h>
  42
  43
  44 using namespace gmx;
  45
  46 /*! \brief
  47  * Template class to serve as a basis for user analysis tools.
  48  */
  49 class SANS : public TrajectoryAnalysisModule
  50 {
  51     public:
  52         SANS();
  53
  54         virtual void initOptions(IOptionsContainer          *options,
  55                                  TrajectoryAnalysisSettings *settings);
  56         virtual void initAnalysis(const TrajectoryAnalysisSettings &settings,
  57                                   const TopologyInformation        &top);
  58         virtual void initAfterFirstFrame(const TrajectoryAnalysisSettings &settings,
  59                                          const t_trxframe                 &fr);
  60
  61
  62         virtual void analyzeFrame(int frnr, const t_trxframe &fr, t_pbc *pbc,
  63                                   TrajectoryAnalysisModuleData *pdata);
  64
  65         virtual void finishAnalysis(int nframes);
  66         virtual void writeOutput();
  67
  68     private:
  69         class ModuleData;
  70
  71         double Gaussian(double value, double sigma, RVec Rpos, RVec Rgrid, RVec GridSpacing);
  72
  73         double                           cutoff_;
  74         double                           grid_;
  75         double                           boxScale_;
  76
  77         IVec gridPoints_;
  78         RVec gridSpacing_;
  79
  80         AnalysisNeighborhood              nb_;
  81         const TopologyInformation        *top_;
  82         std::vector < std::vector < std::vector<double>>> gausGrid_;
  83         std::vector<double>               vdw_radius_;
  84 };
  85
  86 SANS::SANS()
  87     : cutoff_(1.0), grid_(0.05), boxScale_(1.0)
  88 {
  89 }
  90
  91 double SANS::Gaussian(double value, double sigma, RVec Rpos, RVec Rgrid, RVec GridSpacing)
  92 {
  93     //return value*M_PI*M_PI*GridSpacing[XX]*GridSpacing[YY]*GridSpacing[ZZ]*exp(-distance2(Rpos, Rgrid)/(2*sigma*sigma))/(std::sqrt(2.0)*sigma*sigma*sigma*108.);
  94     //return value*std::exp(-distance2(Rpos, Rgrid)/(2*sigma*sigma))/(2*M_PI*std::sqrt(2.0*M_PI)*sigma*sigma*sigma);
  95     return value*std::exp(-distance2(Rpos, Rgrid)/(2*sigma*sigma))/(2*M_PI*std::sqrt(2.0*M_PI)*sigma*sigma*sigma)*GridSpacing[XX]*GridSpacing[YY]*GridSpacing[ZZ];
  96     //return value*std::exp(-distance2(Rpos, Rgrid)/(sigma*sigma))/(2*M_PI*std::sqrt(2.0*M_PI)*sigma*sigma*sigma)*GridSpacing[XX]*GridSpacing[YY]*GridSpacing[ZZ];
  97 }
  98
  99 void
 100 SANS::initOptions(IOptionsContainer          *options,
 101                   TrajectoryAnalysisSettings *settings)
 102 {
 103     static const char *const desc[] = {
 104         "Analysis tool for finding molecular core."
 105     };
 106
 107     // Add the descriptive text (program help text) to the options
 108     settings->setHelpText(desc);
 109     // Add option for cutoff constant
 110     options->addOption(DoubleOption("cutoff")
 111                            .store(&cutoff_)
 112                            .description("cutoff for neighbour search"));
 113     options->addOption(DoubleOption("grid")
 114                            .store(&grid_)
 115                            .description("grid spacing for gaus grid"));
 116     options->addOption(DoubleOption("boxscale")
 117                            .store(&boxScale_)
 118                            .description("box scaling for gaus grid"));
 119 }
 120
 121 void
 122 SANS::initAnalysis(const TrajectoryAnalysisSettings  &settings,
 123                    const TopologyInformation         &top)
 124 {
 125
 126     gmx_atomprop_t aps    = gmx_atomprop_init();
 127     t_atoms       *atoms  = &(top.topology()->atoms);
 128     real           value;
 129
 130     nb_.setCutoff(cutoff_);
 131     top_ = &top;
 132
 133     for (int i = 0; i < top.topology()->atoms.nr; i++)
 134     {
 135         // Lookup the Van der Waals radius of this atom
 136         int resnr = atoms->atom[i].resind;
 137         if (gmx_atomprop_query(aps, epropVDW,
 138                                *(atoms->resinfo[resnr].name),
 139                                *(atoms->atomname[i]),
 140                                &value))
 141         {
 142             vdw_radius_.push_back(value);
 143         }
 144         else
 145         {
 146             fprintf(stderr, "Could not determine VDW radius for %s-%s. Set to zero.\n",
 147                     *(atoms->resinfo[resnr].name),
 148                     *(atoms->atomname[i]));
 149             vdw_radius_.push_back(0.0);
 150         }
 151
 152     }
 153
 154 }
 155
 156 void
 157 SANS::initAfterFirstFrame(const TrajectoryAnalysisSettings &settings,
 158                           const t_trxframe                 &fr)
 159 {
 160     // set gridpoints and grid spacing for orthogonal boxes only....
 161     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 162     {
 163         gridSpacing_[i] = grid_;
 164         gridPoints_[i]  = static_cast<int>(std::ceil(fr.box[i][i]*boxScale_/grid_));
 165     }
 166     // prepare gausGrid
 167     gausGrid_.resize(gridPoints_[XX], std::vector < std::vector < double>>(gridPoints_[YY], std::vector<double>(gridPoints_[ZZ])));
 168 }
 169
 170 void
 171 SANS::analyzeFrame(int frnr, const t_trxframe &fr, t_pbc *pbc,
 172                    TrajectoryAnalysisModuleData *pdata)
 173 {
 174     RVec GridSpacing(0.1, 0.1, 0.1);
 175     AnalysisNeighborhoodSearch nbsearch = nb_.initSearch(pbc, AnalysisNeighborhoodPositions(fr.x, fr.natoms));
 176
 177     t_topology                *top = top_->topology();
 178
 179     fprintf(stderr, "Box dimensions:\n");
 180     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 181     {
 182         fprintf(stderr, "[ ");
 183         for (int j = 0; j < DIM; j++)
 184         {
 185             fprintf(stderr, " %f ", fr.box[i][j]);
 186         }
 187         fprintf(stderr, " ]\n");
 188     }
 189     // main loop over grid points
 190     for (int i = 0; i < gridPoints_[XX]; i++)
 191     {
 192         for (int j = 0; j < gridPoints_[YY]; j++)
 193         {
 194             for (int k = 0; k < gridPoints_[ZZ]; k++)
 195             {
 196                 RVec                           point(i*gridSpacing_[XX], j*gridSpacing_[YY], k*gridSpacing_[ZZ]);
 197                 AnalysisNeighborhoodPairSearch pairSearch = nbsearch.startPairSearch(point.as_vec());
 198                 AnalysisNeighborhoodPair       pair;
 199                 while (pairSearch.findNextPair(&pair))
 200                 {
 201                     //fprintf(stderr,"point = [ %f %f %f ]\n", point[XX],point[YY],point[ZZ]);
 202                     // fprintf(stderr,"Index %d\n", pair.refIndex());
 203                     // fprintf(stderr,"dx =  (%f, %f, %f)\n", pair.dx()[XX], pair.dx()[YY], pair.dx()[ZZ] );
 204                     // fprintf(stderr,"ref =  (%f, %f, %f)\n", fr.x[pair.refIndex()][XX], fr.x[pair.refIndex()][YY], fr.x[pair.refIndex()][ZZ]);
 205                     // fprintf(stderr,"ref_dx =  (%f, %f, %f)\n", GridSpacing[XX]+pair.dx()[XX], GridSpacing[YY]+pair.dx()[YY], GridSpacing[ZZ]+pair.dx()[ZZ] );
 206                     RVec refPos(point[XX]+pair.dx()[XX], point[YY]+pair.dx()[YY], point[ZZ]+pair.dx()[ZZ]);
 207                     //fprintf(stderr,"refPos = [ %f %f %f ]\n", refPos[XX], refPos[YY], refPos[ZZ]);
 208                     //fprintf(stderr, "Mass = %f, Radius = %f\n", top->atoms.atom[pair.refIndex()].m, top->atomtypes.radius[top->atoms.atom[pair.refIndex()].type]);
 209                     //fprintf(stderr, "Distance^2 = %3.8f\n", pair.distance2());
 210                     //fprintf(stderr, "Gausian = %3.8f\n",Gaussian(top->atoms.atom[pair.refIndex()].m, 0.2, refPos, point, gridSpacing_)*AMU/((NANO*NANO*NANO)*(gridSpacing_[XX]*gridSpacing_[YY]*gridSpacing_[ZZ])));
 211                     //gausGrid_[i][j][k] += Gaussian(top->atoms.atom[pair.refIndex()].m, 0.1, refPos, point, gridSpacing_)*AMU/((NANO*NANO*NANO)*(gridSpacing_[XX]*gridSpacing_[YY]*gridSpacing_[ZZ]));
 212                     gausGrid_[i][j][k] += Gaussian(top->atoms.atom[pair.refIndex()].m, vdw_radius_[pair.refIndex()], refPos, point, gridSpacing_)*AMU/((NANO*NANO*NANO)*(gridSpacing_[XX]*gridSpacing_[YY]*gridSpacing_[ZZ]));
 213                 }
 214                 fprintf(stderr, "GausGrid[%d, %d, %d] = %f\n", i, j, k, gausGrid_[i][j][k]);
 215             }
 216         }
 217     }
 218     // only for orthogonal boxes...
 219     fprintf(stderr, "NX = %d, NY = %d, NZ = %d\n", gridPoints_[XX], gridPoints_[YY], gridPoints_[ZZ]);
 220 }
 221
 222 void
 223 SANS::finishAnalysis(int nframes)
 224 {
 225 }
 226
 227 void
 228 SANS::writeOutput()
 229 {
 230     FILE *fo;
 231     // Construct opendx grid
 232     fo = fopen("data.dx", "w");
 233     //object 1 class gridpositions counts  140 140 140
 234     //origin 0.000000 0.000000 0.000000
 235     //delta  0.500000 0.000000 0.000000
 236     //delta  0.000000 0.500000 0.000000
 237     //delta  0.000000 0.000000 0.500000
 238     //object 2 class gridconnections counts  140 140 140
 239     //object 3 class array type "double" rank 0 items 2744000 data follows
 240     fprintf(fo, "object 1 class gridpositions counts %d %d %d\n", gridPoints_[XX], gridPoints_[YY], gridPoints_[ZZ]);
 241     fprintf(fo, "origin 0.000000 0.000000 0.000000\n");
 242     fprintf(fo, "delta %3.6f %3.6f %3.6f\n", gridSpacing_[XX]*NM2A, 0.0, 0.0);
 243     fprintf(fo, "delta %3.6f %3.6f %3.6f\n", 0.0, gridSpacing_[YY]*NM2A, 0.0);
 244     fprintf(fo, "delta %3.6f %3.6f %3.6f\n", 0.0, 0.0, gridSpacing_[ZZ]*NM2A);
 245     fprintf(fo, "object 2 class gridconnections counts  %d %d %d\n", gridPoints_[XX], gridPoints_[YY], gridPoints_[ZZ]);
 246     fprintf(fo, "object 3 class array type \"double\" rank 0 items %d data follows\n", gridPoints_[XX]*gridPoints_[YY]*gridPoints_[ZZ]);
 247     // now dump data in ordered mode
 248     //    u(0,0,0) u(0,0,1) u(0,0,2)
 249     //    ...
 250     //    u(0,0,nz-3) u(0,0,nz-2) u(0,0,nz-1)
 251     //    u(0,1,0) u(0,1,1) u(0,1,2)
 252     //    ...
 253     //    u(0,1,nz-3) u(0,1,nz-2) u(0,1,nz-1)
 254     //    ...
 255     //    u(0,ny-1,nz-3) u(0,ny-1,nz-2) u(0,ny-1,nz-1)
 256     //    u(1,0,0) u(1,0,1) u(1,0,2)
 257     //    ...
 258     int NR = 3;
 259     int n  = 0;
 260     for (int i = 0; i < gridPoints_[XX]; i++)
 261     {
 262         for (int j = 0; j < gridPoints_[YY]; j++)
 263         {
 264             for (int k = 0; k < gridPoints_[ZZ]; k++)
 265             {
 266                 fprintf(fo, "%3.8f ", gausGrid_[i][j][k]);
 267                 n++;
 268                 if (n == NR)
 269                 {
 270                     fprintf(fo, "\n");
 271                     n = 0;
 272                 }
 273             }
 274         }
 275     }
 276     if (n != NR)
 277     {
 278         fprintf(fo, "\n");
 279     }
 280     //attribute "dep" string "positions"
 281     //object "density" class field
 282     //component "positions" value 1
 283     //component "connections" value 2
 284     //component "data" value 3
 285     fprintf(fo, "attribute \"dep\" string \"positions\"\n");
 286     fprintf(fo, "object \"density\" class field\n");
 287     fprintf(fo, "component \"positions\" value 1\n");
 288     fprintf(fo, "component \"connections\" value 2\n");
 289     fprintf(fo, "component \"data\" value 3\n");
 290     fclose(fo);
 291 }
 292
 293 /*! \brief
 294  * The main function for the analysis template.
 295  */
 296 int
 297 main(int argc, char *argv[])
 298 {
 299     return gmx::TrajectoryAnalysisCommandLineRunner::runAsMain<SANS>(argc, argv);
 300 }