src/tools/nsc.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  *                        VERSION 3.3.2
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2007, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * Groningen Machine for Chemical Simulation
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include <stdio.h>
  40 #include <string.h>
  41 #include <stdlib.h>
  42 #include <math.h>
  43 #include <stdarg.h>
  44 /* Modified DvdS */
  45 #include "pbc.h"
  46 #include "macros.h"
  47 #include "vec.h"
  48 #include "smalloc.h"
  49 #include "nsc.h"
  50
  51 #define TEST_NSC 0
  52
  53 #define TEST_ARC 0
  54 #define TEST_DOD 0
  55 #define TEST_CUBE 0
  56
  57 #define UNSP_ICO_DOD      9
  58 #define UNSP_ICO_ARC     10
  59
  60 real   *xpunsp=NULL;
  61 real   del_cube;
  62 int    *ico_wk=NULL, *ico_pt=NULL;
  63 int    n_dot, ico_cube, last_n_dot=0, last_densit=0, last_unsp=0;
  64 int    last_cubus=0;
  65
  66 #define FOURPI (4.*M_PI)
  67 #define TORAD(A)     ((A)*0.017453293)
  68 #define DP_TOL     0.001
  69
  70 #define UPDATE_FL  __file__=__FILE__,__line__=__LINE__
  71 const char * __file__;   /* declared versions of macros */
  72 int  __line__;           /* __FILE__  and __LINE__ */
  73
  74 #ifdef ERROR
  75 #undef ERROR
  76 #endif
  77 #define ERROR UPDATE_FL,error
  78 void error(const char *fmt, ...) {
  79   va_list args;
  80   fprintf(stderr,
  81           "\n---> ERROR when executing line %i in file %s !\n",
  82           __line__,__file__);
  83   va_start(args,fmt);
  84   vfprintf(stderr, fmt, args);
  85   va_end(args);
  86   fprintf(stderr, "\n---> Execution stopped !\n\n");
  87 }
  88
  89 #define WARNING UPDATE_FL,warning2
  90 void warning2(const char *fmt, ...) {
  91   va_list args;
  92   fprintf(stderr,
  93           "\n---> WARNING : line %i in file %s\n",
  94           __line__,__file__);
  95   va_start(args,fmt);
  96   vfprintf(stderr, fmt, args);
  97   va_end(args);
  98   fprintf(stderr, " ...!\n\n");
  99   fflush(stderr);
 100   fflush(stdout);
 101 }
 102
 103 #define ASIN safe_asin
 104 real safe_asin(real f) {
 105   if ( (fabs(f) < 1.00) ) return( asin(f) );
 106   if ( (fabs(f) - 1.00)  <= DP_TOL )
 107     ERROR("ASIN : invalid argument %f", f);
 108   return(M_PI_2);
 109 }
 110
 111
 112
 113
 114 /* routines for dot distributions on the surface of the unit sphere */
 115 real rg, rh;
 116
 117 void icosaeder_vertices(real *xus) {
 118   rh = sqrt(1.-2.*cos(TORAD(72.)))/(1.-cos(TORAD(72.)));
 119   rg = cos(TORAD(72.))/(1.-cos(TORAD(72.)));
 120   /* icosaeder vertices */
 121   xus[ 0] = 0.;                  xus[ 1] = 0.;                  xus[ 2] = 1.;
 122   xus[ 3] = rh*cos(TORAD(72.));  xus[ 4] = rh*sin(TORAD(72.));  xus[ 5] = rg;
 123   xus[ 6] = rh*cos(TORAD(144.)); xus[ 7] = rh*sin(TORAD(144.)); xus[ 8] = rg;
 124   xus[ 9] = rh*cos(TORAD(216.)); xus[10] = rh*sin(TORAD(216.)); xus[11] = rg;
 125   xus[12] = rh*cos(TORAD(288.)); xus[13] = rh*sin(TORAD(288.)); xus[14] = rg;
 126   xus[15] = rh;                  xus[16] = 0;                   xus[17] = rg;
 127   xus[18] = rh*cos(TORAD(36.));  xus[19] = rh*sin(TORAD(36.));  xus[20] = -rg;
 128   xus[21] = rh*cos(TORAD(108.)); xus[22] = rh*sin(TORAD(108.)); xus[23] = -rg;
 129   xus[24] = -rh;                 xus[25] = 0;                   xus[26] = -rg;
 130   xus[27] = rh*cos(TORAD(252.)); xus[28] = rh*sin(TORAD(252.)); xus[29] = -rg;
 131   xus[30] = rh*cos(TORAD(324.)); xus[31] = rh*sin(TORAD(324.)); xus[32] = -rg;
 132   xus[33] = 0.;                  xus[34] = 0.;                  xus[35] = -1.;
 133 }
 134
 135
 136 void divarc(real x1, real y1, real z1,
 137             real x2, real y2, real z2,
 138             int div1, int div2, real *xr, real *yr, real *zr) {
 139
 140   real xd, yd, zd, dd, d1, d2, s, x, y, z;
 141   real phi, sphi, cphi;
 142
 143   xd = y1*z2-y2*z1;
 144   yd = z1*x2-z2*x1;
 145   zd = x1*y2-x2*y1;
 146   dd = sqrt(xd*xd+yd*yd+zd*zd);
 147   if (dd < DP_TOL) ERROR("divarc: rotation axis of length %f", dd);
 148
 149   d1 = x1*x1+y1*y1+z1*z1;
 150   if (d1 < 0.5) ERROR("divarc: vector 1 of sq.length %f", d1);
 151   d2 = x2*x2+y2*y2+z2*z2;
 152   if (d2 < 0.5) ERROR("divarc: vector 2 of sq.length %f", d2);
 153
 154   phi = ASIN(dd/sqrt(d1*d2));
 155   phi = phi*((real)div1)/((real)div2);
 156   sphi = sin(phi); cphi = cos(phi);
 157   s  = (x1*xd+y1*yd+z1*zd)/dd;
 158
 159   x = xd*s*(1.-cphi)/dd + x1 * cphi + (yd*z1-y1*zd)*sphi/dd;
 160   y = yd*s*(1.-cphi)/dd + y1 * cphi + (zd*x1-z1*xd)*sphi/dd;
 161   z = zd*s*(1.-cphi)/dd + z1 * cphi + (xd*y1-x1*yd)*sphi/dd;
 162   dd = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 163   *xr = x/dd; *yr = y/dd; *zr = z/dd;
 164 }
 165
 166 int ico_dot_arc(int densit) { /* densit...required dots per unit sphere */
 167   /* dot distribution on a unit sphere based on an icosaeder *
 168    * great circle average refining of icosahedral face       */
 169
 170   int i, j, k, tl, tl2, tn, tess;
 171   real a, d, x, y, z, x2, y2, z2, x3, y3, z3;
 172   real xij, yij, zij, xji, yji, zji, xik, yik, zik, xki, yki, zki,
 173     xjk, yjk, zjk, xkj, ykj, zkj;
 174   real *xus=NULL;
 175
 176   /* calculate tessalation level */
 177   a = sqrt((((real) densit)-2.)/10.);
 178   tess = (int) ceil(a);
 179   n_dot = 10*tess*tess+2;
 180   if (n_dot < densit) {
 181     ERROR("ico_dot_arc: error in formula for tessalation level (%d->%d, %d)",
 182           tess, n_dot, densit);
 183   }
 184
 185   snew(xus,3*n_dot);
 186   xpunsp = xus;
 187   icosaeder_vertices(xus);
 188
 189   if (tess > 1) {
 190     tn = 12;
 191     a = rh*rh*2.*(1.-cos(TORAD(72.)));
 192     /* calculate tessalation of icosaeder edges */
 193     for (i=0; i<11; i++) {
 194       for (j=i+1; j<12; j++) {
 195         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 196         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 197         d = x*x+y*y+z*z;
 198         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 199         for (tl=1; tl<tess; tl++) {
 200           if (tn >= n_dot) { ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus"); }
 201           divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 202                  xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 203                  tl, tess, &xus[3*tn], &xus[1+3*tn], &xus[2+3*tn]);
 204           tn++;
 205         }
 206       }
 207     }
 208     /* calculate tessalation of icosaeder faces */
 209     for (i=0; i<10; i++) {
 210       for (j=i+1; j<11; j++) {
 211         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 212         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 213         d = x*x+y*y+z*z;
 214         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 215
 216         for (k=j+1; k<12; k++) {
 217           x = xus[3*i]-xus[3*k];
 218           y = xus[1+3*i]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*k];
 219           d = x*x+y*y+z*z;
 220           if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 221           x = xus[3*j]-xus[3*k];
 222           y = xus[1+3*j]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*j]-xus[2+3*k];
 223           d = x*x+y*y+z*z;
 224           if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 225           for (tl=1; tl<tess-1; tl++) {
 226             divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 227                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 228                    tl, tess, &xji, &yji, &zji);
 229             divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 230                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 231                    tl, tess, &xki, &yki, &zki);
 232
 233             for (tl2=1; tl2<tess-tl; tl2++) {
 234               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 235                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 236                      tl2, tess, &xij, &yij, &zij);
 237               divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 238                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 239                      tl2, tess, &xkj, &ykj, &zkj);
 240               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 241                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 242                      tess-tl-tl2, tess, &xik, &yik, &zik);
 243               divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 244                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 245                      tess-tl-tl2, tess, &xjk, &yjk, &zjk);
 246               if (tn >= n_dot) ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus");
 247               divarc(xki, yki, zki, xji, yji, zji, tl2, tess-tl,
 248                      &x, &y, &z);
 249               divarc(xkj, ykj, zkj, xij, yij, zij, tl, tess-tl2,
 250                      &x2, &y2, &z2);
 251               divarc(xjk, yjk, zjk, xik, yik, zik, tl, tl+tl2,
 252                      &x3, &y3, &z3);
 253               x = x+x2+x3; y = y+y2+y3; z = z+z2+z3;
 254               d = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 255               xus[3*tn] = x/d;
 256               xus[1+3*tn] = y/d;
 257               xus[2+3*tn] = z/d;
 258               tn++;
 259             }           /* cycle tl2 */
 260           }             /* cycle tl */
 261         }               /* cycle k */
 262       }         /* cycle j */
 263     }                   /* cycle i */
 264     if (n_dot != tn) {
 265       ERROR("ico_dot: n_dot(%d) and tn(%d) differ", n_dot, tn);
 266     }
 267   }             /* end of if (tess > 1) */
 268
 269   return n_dot;
 270 }               /* end of routine ico_dot_arc */
 271
 272 int ico_dot_dod(int densit) { /* densit...required dots per unit sphere */
 273   /* dot distribution on a unit sphere based on an icosaeder *
 274    * great circle average refining of icosahedral face       */
 275
 276   int i, j, k, tl, tl2, tn, tess, j1, j2;
 277   real a, d, x, y, z, x2, y2, z2, x3, y3, z3, ai_d, adod;
 278   real xij, yij, zij, xji, yji, zji, xik, yik, zik, xki, yki, zki,
 279     xjk, yjk, zjk, xkj, ykj, zkj;
 280   real *xus=NULL;
 281   /* calculate tesselation level */
 282   a = sqrt((((real) densit)-2.)/30.);
 283   tess = max((int) ceil(a), 1);
 284   n_dot = 30*tess*tess+2;
 285   if (n_dot < densit) {
 286     ERROR("ico_dot_dod: error in formula for tessalation level (%d->%d, %d)",
 287           tess, n_dot, densit);
 288   }
 289
 290   snew(xus,3*n_dot);
 291   xpunsp = xus;
 292   icosaeder_vertices(xus);
 293
 294   tn=12;
 295   /* square of the edge of an icosaeder */
 296   a = rh*rh*2.*(1.-cos(TORAD(72.)));
 297   /* dodecaeder vertices */
 298   for (i=0; i<10; i++) {
 299     for (j=i+1; j<11; j++) {
 300       x = xus[3*i]-xus[3*j];
 301       y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 302       d = x*x+y*y+z*z;
 303       if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 304       for (k=j+1; k<12; k++) {
 305         x = xus[3*i]-xus[3*k];
 306         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*k];
 307         d = x*x+y*y+z*z;
 308         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 309         x = xus[3*j]-xus[3*k];
 310         y = xus[1+3*j]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*j]-xus[2+3*k];
 311         d = x*x+y*y+z*z;
 312         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 313         x = xus[  3*i]+xus[  3*j]+xus[  3*k];
 314         y = xus[1+3*i]+xus[1+3*j]+xus[1+3*k];
 315         z = xus[2+3*i]+xus[2+3*j]+xus[2+3*k];
 316         d = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 317         xus[3*tn]=x/d; xus[1+3*tn]=y/d; xus[2+3*tn]=z/d;
 318         tn++;
 319       }
 320     }
 321   }
 322
 323   if (tess > 1) {
 324     tn = 32;
 325     /* square of the edge of an dodecaeder */
 326     adod = 4.*(cos(TORAD(108.))-cos(TORAD(120.)))/(1.-cos(TORAD(120.)));
 327     /* square of the distance of two adjacent vertices of ico- and dodecaeder */
 328     ai_d = 2.*(1.-sqrt(1.-a/3.));
 329
 330     /* calculate tessalation of mixed edges */
 331     for (i=0; i<31; i++) {
 332       j1 = 12; j2 = 32; a = ai_d;
 333       if (i>=12) { j1=i+1; a = adod; }
 334       for (j=j1; j<j2; j++) {
 335         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 336         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 337         d = x*x+y*y+z*z;
 338         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 339         for (tl=1; tl<tess; tl++) {
 340           if (tn >= n_dot) {
 341             ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus");
 342           }
 343           divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 344                  xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 345                  tl, tess, &xus[3*tn], &xus[1+3*tn], &xus[2+3*tn]);
 346           tn++;
 347         }
 348       }
 349     }
 350     /* calculate tessalation of pentakisdodecahedron faces */
 351     for (i=0; i<12; i++) {
 352       for (j=12; j<31; j++) {
 353         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 354         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 355         d = x*x+y*y+z*z;
 356         if (fabs(ai_d-d) > DP_TOL) continue;
 357
 358         for (k=j+1; k<32; k++) {
 359           x = xus[3*i]-xus[3*k];
 360           y = xus[1+3*i]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*k];
 361           d = x*x+y*y+z*z;
 362           if (fabs(ai_d-d) > DP_TOL) continue;
 363           x = xus[3*j]-xus[3*k];
 364           y = xus[1+3*j]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*j]-xus[2+3*k];
 365           d = x*x+y*y+z*z;
 366           if (fabs(adod-d) > DP_TOL) continue;
 367           for (tl=1; tl<tess-1; tl++) {
 368             divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 369                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 370                    tl, tess, &xji, &yji, &zji);
 371             divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 372                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 373                    tl, tess, &xki, &yki, &zki);
 374
 375             for (tl2=1; tl2<tess-tl; tl2++) {
 376               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 377                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 378                      tl2, tess, &xij, &yij, &zij);
 379               divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 380                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 381                      tl2, tess, &xkj, &ykj, &zkj);
 382               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 383                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 384                      tess-tl-tl2, tess, &xik, &yik, &zik);
 385               divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 386                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 387                      tess-tl-tl2, tess, &xjk, &yjk, &zjk);
 388               if (tn >= n_dot) {
 389                 ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus");
 390               }
 391               divarc(xki, yki, zki, xji, yji, zji, tl2, tess-tl,
 392                      &x, &y, &z);
 393               divarc(xkj, ykj, zkj, xij, yij, zij, tl, tess-tl2,
 394                      &x2, &y2, &z2);
 395               divarc(xjk, yjk, zjk, xik, yik, zik, tl, tl+tl2,
 396                      &x3, &y3, &z3);
 397               x = x+x2+x3; y = y+y2+y3; z = z+z2+z3;
 398               d = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 399               xus[3*tn] = x/d;
 400               xus[1+3*tn] = y/d;
 401               xus[2+3*tn] = z/d;
 402               tn++;
 403             }           /* cycle tl2 */
 404           }             /* cycle tl */
 405         }               /* cycle k */
 406       }         /* cycle j */
 407     }                   /* cycle i */
 408     if (n_dot != tn) {
 409       ERROR("ico_dot: n_dot(%d) and tn(%d) differ", n_dot, tn);
 410     }
 411   }             /* end of if (tess > 1) */
 412
 413     return n_dot;
 414 }               /* end of routine ico_dot_dod */
 415
 416 int unsp_type(int densit) {
 417   int i1, i2;
 418   i1 = 1;
 419   while (10*i1*i1+2 < densit) i1++;
 420   i2 = 1;
 421   while (30*i2*i2+2 < densit) i2++;
 422   if (10*i1*i1-2 < 30*i2*i2-2) return UNSP_ICO_ARC;
 423   else return UNSP_ICO_DOD;
 424 }
 425
 426 int make_unsp(int densit, int mode, int * num_dot, int cubus) {
 427   int ndot, ico_cube_cb, i, j, k, l, ijk, tn, tl, tl2;
 428   real *xus;
 429   int  *work;
 430   real x, y, z;
 431
 432   if (xpunsp) free(xpunsp); if (ico_wk) free(ico_wk);
 433
 434   k=1; if (mode < 0) { k=0; mode = -mode; }
 435   if (mode == UNSP_ICO_ARC)      { ndot = ico_dot_arc(densit); }
 436   else if (mode == UNSP_ICO_DOD)      { ndot = ico_dot_dod(densit); }
 437   else {
 438     WARNING("make_unsp: mode %c%d not allowed", (k) ? '+':'-',mode);
 439     return 1;
 440   }
 441
 442   last_n_dot = ndot; last_densit = densit; last_unsp = mode;
 443   *num_dot=ndot; if (k) return 0;
 444
 445   /* in the following the dots of the unit sphere may be resorted */
 446   last_unsp = -last_unsp;
 447
 448   /* determine distribution of points in elementary cubes */
 449   if (cubus) {
 450     ico_cube = cubus;
 451   }
 452   else {
 453     last_cubus = 0;
 454     i=1;
 455     while (i*i*i*2 < ndot) i++;
 456     ico_cube = max(i-1, 0);
 457   }
 458   ico_cube_cb = ico_cube*ico_cube*ico_cube;
 459   del_cube=2./((real)ico_cube);
 460   snew(work,ndot);
 461   xus = xpunsp;
 462   for (l=0; l<ndot; l++) {
 463     i = max((int) floor((1.+xus[3*l])/del_cube), 0);
 464     if (i>=ico_cube) i = ico_cube-1;
 465     j = max((int) floor((1.+xus[1+3*l])/del_cube), 0);
 466     if (j>=ico_cube) j = ico_cube-1;
 467     k = max((int) floor((1.+xus[2+3*l])/del_cube), 0);
 468     if (k>=ico_cube) k = ico_cube-1;
 469     ijk = i+j*ico_cube+k*ico_cube*ico_cube;
 470     work[l] = ijk;
 471   }
 472
 473   snew(ico_wk,2*ico_cube_cb+1);
 474
 475   ico_pt = ico_wk+ico_cube_cb;
 476   for (l=0; l<ndot; l++) {
 477     ico_wk[work[l]]++;   /* dots per elementary cube */
 478   }
 479
 480   /* reordering of the coordinate array in accordance with box number */
 481   tn=0;
 482   for (i=0; i<ico_cube; i++) {
 483     for (j=0; j<ico_cube; j++) {
 484       for (k=0; k<ico_cube; k++) {
 485         tl=0;
 486         tl2 = tn;
 487         ijk = i+ico_cube*j+ico_cube*ico_cube*k;
 488         *(ico_pt+ijk) = tn;
 489         for (l=tl2; l<ndot; l++) {
 490           if (ijk == work[l]) {
 491             x = xus[3*l]; y = xus[1+3*l]; z = xus[2+3*l];
 492             xus[3*l] = xus[3*tn];
 493             xus[1+3*l] = xus[1+3*tn]; xus[2+3*l] = xus[2+3*tn];
 494             xus[3*tn] = x; xus[1+3*tn] = y; xus[2+3*tn] = z;
 495             ijk = work[l]; work[l]=work[tn]; work[tn]=ijk;
 496             tn++; tl++;
 497           }
 498         }
 499         *(ico_wk+ijk) = tl;
 500       }         /* cycle k */
 501     }                   /* cycle j */
 502   }                     /* cycle i */
 503   free(work);
 504
 505   return 0;
 506 }
 507
 508
 509 typedef struct _stwknb {
 510   real x;
 511   real y;
 512   real z;
 513   real dot;
 514 } Neighb;
 515
 516 int nsc_dclm_pbc(rvec *coords, real *radius, int nat,
 517                  int  densit, int mode,
 518                  real *value_of_area, real **at_area,
 519                  real *value_of_vol,
 520                  real **lidots, int *nu_dots,
 521                  atom_id index[],int ePBC,matrix box)
 522 {
 523   int iat, i, ii, iii, ix, iy, iz, ixe, ixs, iye, iys, ize, izs, i_ac;
 524   int jat, j, jj, jjj, jx, jy, jz;
 525   int distribution;
 526   int l;
 527   int maxnei, nnei, last, maxdots=0;
 528   int *wkdot=NULL, *wkbox=NULL, *wkat1=NULL, *wkatm=NULL;
 529   Neighb  *wknb, *ctnb;
 530   int iii1, iii2, iiat, lfnr=0, i_at, j_at;
 531   real dx, dy, dz, dd, ai, aisq, ajsq, aj, as, a;
 532   real xi, yi, zi, xs=0., ys=0., zs=0.;
 533   real dotarea, area, vol=0.;
 534   real *xus, *dots=NULL, *atom_area=NULL;
 535   int  nxbox, nybox, nzbox, nxy, nxyz;
 536   real xmin=0, ymin=0, zmin=0, xmax, ymax, zmax, ra2max, d, *pco;
 537   /* Added DvdS 2006-07-19 */
 538   t_pbc pbc;
 539   rvec  ddx,*x=NULL;
 540   int   iat_xx,jat_xx;
 541
 542   distribution = unsp_type(densit);
 543   if (distribution != -last_unsp || last_cubus != 4 ||
 544       (densit != last_densit && densit != last_n_dot)) {
 545     if (make_unsp(densit, (-distribution), &n_dot, 4))
 546       return 1;
 547   }
 548   xus = xpunsp;
 549
 550   dotarea = FOURPI/(real) n_dot;
 551   area = 0.;
 552
 553   if (debug)
 554     fprintf(debug,"nsc_dclm: n_dot=%5d %9.3f\n", n_dot, dotarea);
 555
 556   /* start with neighbour list */
 557   /* calculate neighbour list with the box algorithm */
 558   if (nat==0) {
 559     WARNING("nsc_dclm: no surface atoms selected");
 560     return 1;
 561   }
 562   if (mode & FLAG_VOLUME)
 563     vol=0.;
 564   if (mode & FLAG_DOTS) {
 565     maxdots = (3*n_dot*nat)/10;
 566     /* should be set to NULL on first user call */
 567       if(dots==NULL)
 568       {
 569           snew(dots,maxdots);
 570       }
 571       else
 572       {
 573           srenew(dots,maxdots);
 574       }
 575
 576     lfnr=0;
 577   }
 578   if (mode & FLAG_ATOM_AREA)
 579   {
 580       /* should be set to NULL on first user call */
 581       if(atom_area==NULL)
 582       {
 583           snew(atom_area,nat);
 584       }
 585       else
 586       {
 587           srenew(atom_area,nat);
 588       }
 589   }
 590
 591   /* Compute minimum size for grid cells */
 592   ra2max = radius[index[0]];
 593   for (iat_xx=1; (iat_xx<nat); iat_xx++) {
 594     iat = index[iat_xx];
 595     ra2max = max(ra2max, radius[iat]);
 596   }
 597   ra2max = 2*ra2max;
 598
 599   /* Added DvdS 2006-07-19 */
 600   /* Updated 2008-10-09 */
 601   if (box) {
 602     set_pbc(&pbc,ePBC,box);
 603     snew(x,nat);
 604     for(i=0; (i<nat); i++) {
 605       iat  = index[0];
 606       copy_rvec(coords[iat],x[i]);
 607     }
 608     put_atoms_in_triclinic_unitcell(ecenterTRIC,box,nat,x);
 609     nxbox = max(1,floor(norm(box[XX])/ra2max));
 610     nybox = max(1,floor(norm(box[YY])/ra2max));
 611     nzbox = max(1,floor(norm(box[ZZ])/ra2max));
 612     if (debug)
 613       fprintf(debug,"nbox = %d, %d, %d\n",nxbox,nybox,nzbox);
 614   }
 615   else {
 616     /* dimensions of atomic set, cell edge is 2*ra_max */
 617     iat  = index[0];
 618     xmin = coords[iat][XX]; xmax = xmin; xs=xmin;
 619     ymin = coords[iat][YY]; ymax = ymin; ys=ymin;
 620     zmin = coords[iat][ZZ]; zmax = zmin; zs=zmin;
 621     ra2max = radius[iat];
 622
 623     for (iat_xx=1; (iat_xx<nat); iat_xx++) {
 624       iat = index[iat_xx];
 625       pco = coords[iat];
 626       xmin = min(xmin, *pco);     xmax = max(xmax, *pco);
 627       ymin = min(ymin, *(pco+1)); ymax = max(ymax, *(pco+1));
 628       zmin = min(zmin, *(pco+2)); zmax = max(zmax, *(pco+2));
 629       xs= xs+ *pco; ys = ys+ *(pco+1); zs= zs+ *(pco+2);
 630     }
 631     xs = xs/ (real) nat;
 632     ys = ys/ (real) nat;
 633     zs = zs/ (real) nat;
 634     if (debug)
 635       fprintf(debug,"nsc_dclm: n_dot=%5d ra2max=%9.3f %9.3f\n", n_dot, ra2max, dotarea);
 636
 637     d = xmax-xmin; nxbox = (int) max(ceil(d/ra2max), 1.);
 638     d = (((real)nxbox)*ra2max-d)/2.;
 639     xmin = xmin-d; xmax = xmax+d;
 640     d = ymax-ymin; nybox = (int) max(ceil(d/ra2max), 1.);
 641     d = (((real)nybox)*ra2max-d)/2.;
 642     ymin = ymin-d; ymax = ymax+d;
 643     d = zmax-zmin; nzbox = (int) max(ceil(d/ra2max), 1.);
 644     d = (((real)nzbox)*ra2max-d)/2.;
 645     zmin = zmin-d; zmax = zmax+d;
 646   }
 647   /* Help variables */
 648   nxy = nxbox*nybox;
 649   nxyz = nxy*nzbox;
 650
 651   /* box number of atoms */
 652   snew(wkatm,nat);
 653   snew(wkat1,nat);
 654   snew(wkdot,n_dot);
 655   snew(wkbox,nxyz+1);
 656
 657   if (box) {
 658     matrix box_1;
 659     rvec   x_1;
 660     int    ix,iy,iz,m;
 661     m_inv(box,box_1);
 662     for(i=0; (i<nat); i++) {
 663       mvmul(box_1,x[i],x_1);
 664       ix = ((int)floor(x_1[XX]*nxbox) + 2*nxbox) % nxbox;
 665       iy = ((int)floor(x_1[YY]*nybox) + 2*nybox) % nybox;
 666       iz = ((int)floor(x_1[ZZ]*nzbox) + 2*nzbox) % nzbox;
 667       j =  ix + iy*nxbox + iz*nxbox*nybox;
 668       if (debug)
 669         fprintf(debug,"Atom %d cell index %d. x = (%8.3f,%8.3f,%8.3f) fc = (%8.3f,%8.3f,%8.3f)\n",
 670                 i,j,x[i][XX],x[i][YY],x[i][ZZ],x_1[XX],x_1[YY],x_1[ZZ]);
 671       range_check(j,0,nxyz);
 672       wkat1[i] = j;
 673       wkbox[j]++;
 674     }
 675   }
 676   else {
 677     /* Put the atoms in their boxes */
 678     for (iat_xx=0; (iat_xx<nat); iat_xx++) {
 679       iat = index[iat_xx];
 680       pco = coords[iat];
 681       i = (int) max(floor((pco[XX]-xmin)/ra2max), 0);
 682       i = min(i,nxbox-1);
 683       j = (int) max(floor((pco[YY]-ymin)/ra2max), 0);
 684       j = min(j,nybox-1);
 685       l = (int) max(floor((pco[ZZ]-zmin)/ra2max), 0);
 686       l = min(l,nzbox-1);
 687       i = i+j*nxbox+l*nxy;
 688       wkat1[iat_xx] = i;
 689       wkbox[i]++;
 690     }
 691   }
 692
 693   /* sorting of atoms in accordance with box numbers */
 694   j = wkbox[0];
 695   for (i=1; i<nxyz; i++)
 696     j= max(wkbox[i], j);
 697   for (i=1; i<=nxyz; i++)
 698     wkbox[i] += wkbox[i-1];
 699
 700   /* maxnei = (int) floor(ra2max*ra2max*ra2max*0.5); */
 701   maxnei = min(nat, 27*j);
 702   snew(wknb,maxnei);
 703   for (iat_xx=0; iat_xx<nat; iat_xx++) {
 704     iat = index[iat_xx];
 705     range_check(wkat1[iat_xx],0,nxyz);
 706     wkatm[--wkbox[wkat1[iat_xx]]] = iat_xx;
 707     if (debug)
 708       fprintf(debug,"atom %5d on place %5d\n", iat, wkbox[wkat1[iat_xx]]);
 709   }
 710
 711   if (debug) {
 712     fprintf(debug,"nsc_dclm: n_dot=%5d ra2max=%9.3f %9.3f\n",
 713             n_dot, ra2max, dotarea);
 714     fprintf(debug,"neighbour list calculated/box(xyz):%d %d %d\n",
 715             nxbox, nybox, nzbox);
 716
 717     for (i=0; i<nxyz; i++)
 718       fprintf(debug,"box %6d : atoms %4d-%4d    %5d\n",
 719               i, wkbox[i], wkbox[i+1]-1, wkbox[i+1]-wkbox[i]);
 720     for (i=0; i<nat; i++) {
 721       fprintf(debug,"list place %5d by atom %7d\n", i, index[wkatm[i]]);
 722     }
 723   }
 724
 725   /* calculate surface for all atoms, step cube-wise */
 726   for (iz=0; iz<nzbox; iz++) {
 727     iii = iz*nxy;
 728     if (box) {
 729       izs = iz-1;
 730       ize = min(iz+2,izs+nzbox);
 731     }
 732     else {
 733       izs = max(iz-1,0);
 734       ize = min(iz+2, nzbox);
 735     }
 736     for (iy=0; iy<nybox; iy++) {
 737       ii = iy*nxbox+iii;
 738       if (box) {
 739         iys = iy-1;
 740         iye = min(iy+2,iys+nybox);
 741       }
 742       else {
 743         iys = max(iy-1,0);
 744         iye = min(iy+2, nybox);
 745       }
 746       for (ix=0; ix<nxbox; ix++) {
 747         i = ii+ix;
 748         iii1=wkbox[i];
 749         iii2=wkbox[i+1];
 750         if (iii1 >= iii2)
 751           continue;
 752         if (box) {
 753           ixs = ix-1;
 754           ixe = min(ix+2,ixs+nxbox);
 755         }
 756         else {
 757           ixs = max(ix-1,0);
 758           ixe = min(ix+2, nxbox);
 759         }
 760         iiat = 0;
 761         /* make intermediate atom list */
 762         for (jz=izs; jz<ize; jz++) {
 763           jjj = ((jz+nzbox) % nzbox)*nxy;
 764           for (jy=iys; jy<iye; jy++) {
 765             jj = ((jy+nybox) % nybox)*nxbox+jjj;
 766             for (jx=ixs; jx<ixe; jx++) {
 767               j = jj+((jx+nxbox) % nxbox);
 768               for (jat=wkbox[j]; jat<wkbox[j+1]; jat++) {
 769                 range_check(wkatm[jat],0,nat);
 770                 range_check(iiat,0,nat);
 771                 wkat1[iiat] = wkatm[jat];
 772                 iiat++;
 773               }     /* end of cycle "jat" */
 774             }       /* end of cycle "jx" */
 775           }       /* end of cycle "jy" */
 776         }       /* end of cycle "jz" */
 777         for (iat=iii1; iat<iii2; iat++) {
 778           i_at = index[wkatm[iat]];
 779           ai   = radius[i_at];
 780           aisq = ai*ai;
 781           pco  = coords[i_at];
 782           xi = pco[XX]; yi = pco[YY]; zi = pco[ZZ];
 783           for (i=0; i<n_dot; i++)
 784             wkdot[i] = 0;
 785
 786           ctnb = wknb; nnei = 0;
 787           for (j=0; j<iiat; j++) {
 788             j_at = index[wkat1[j]];
 789             if (j_at == i_at)
 790               continue;
 791
 792             aj   = radius[j_at];
 793             ajsq = aj*aj;
 794             pco  = coords[j_at];
 795
 796             /* Added DvdS 2006-07-19 */
 797             if (box) {
 798               /*rvec xxi;
 799
 800               xxi[XX] = xi;
 801               xxi[YY] = yi;
 802               xxi[ZZ] = zi;
 803               pbc_dx(&pbc,pco,xxi,ddx);*/
 804               pbc_dx(&pbc,coords[j_at],coords[i_at],ddx);
 805               dx = ddx[XX];
 806               dy = ddx[YY];
 807               dz = ddx[ZZ];
 808             }
 809             else {
 810               dx = pco[XX]-xi;
 811               dy = pco[YY]-yi;
 812               dz = pco[ZZ]-zi;
 813             }
 814             dd = dx*dx+dy*dy+dz*dz;
 815             as = ai+aj;
 816             if (dd > as*as) {
 817               continue;
 818             }
 819             nnei++;
 820             ctnb->x = dx;
 821             ctnb->y = dy;
 822             ctnb->z = dz;
 823             ctnb->dot = (dd+aisq-ajsq)/(2.*ai); /* reference dot product */
 824             ctnb++;
 825           }
 826
 827           /* check points on accessibility */
 828           if (nnei) {
 829             last = 0; i_ac = 0;
 830             for (l=0; l<n_dot; l++) {
 831               if (xus[3*l]*(wknb+last)->x+
 832                   xus[1+3*l]*(wknb+last)->y+
 833                   xus[2+3*l]*(wknb+last)->z <= (wknb+last)->dot) {
 834                 for (j=0; j<nnei; j++) {
 835                   if (xus[3*l]*(wknb+j)->x+xus[1+3*l]*(wknb+j)->y+
 836                       xus[2+3*l]*(wknb+j)->z > (wknb+j)->dot) {
 837                     last = j;
 838                     break;
 839                   }
 840                 }
 841                 if (j >= nnei) {
 842                   i_ac++;
 843                   wkdot[l] = 1;
 844                 }
 845               }     /* end of cycle j */
 846             }       /* end of cycle l */
 847           }
 848           else {
 849             i_ac  = n_dot;
 850             for (l=0; l < n_dot; l++)
 851               wkdot[l] = 1;
 852           }
 853
 854           if (debug)
 855             fprintf(debug,"i_ac=%d, dotarea=%8.3f, aisq=%8.3f\n",
 856                     i_ac, dotarea, aisq);
 857
 858           a = aisq*dotarea* (real) i_ac;
 859           area = area + a;
 860           if (mode & FLAG_ATOM_AREA) {
 861             range_check(wkatm[iat],0,nat);
 862             atom_area[wkatm[iat]] = a;
 863           }
 864           if (mode & FLAG_DOTS) {
 865             for (l=0; l<n_dot; l++) {
 866               if (wkdot[l]) {
 867                 lfnr++;
 868                 if (maxdots <= 3*lfnr+1) {
 869             maxdots = maxdots+n_dot*3;
 870             srenew(dots,maxdots);
 871                 }
 872                 dots[3*lfnr-3] = ai*xus[3*l]+xi;
 873                 dots[3*lfnr-2] = ai*xus[1+3*l]+yi;
 874                 dots[3*lfnr-1] = ai*xus[2+3*l]+zi;
 875               }
 876             }
 877           }
 878           if (mode & FLAG_VOLUME) {
 879             dx=0.; dy=0.; dz=0.;
 880             for (l=0; l<n_dot; l++) {
 881               if (wkdot[l]) {
 882                 dx=dx+xus[3*l];
 883                 dy=dy+xus[1+3*l];
 884                 dz=dz+xus[2+3*l];
 885               }
 886             }
 887             vol = vol+aisq*(dx*(xi-xs)+dy*(yi-ys)+dz*(zi-zs)+ai* (real) i_ac);
 888           }
 889
 890         }         /* end of cycle "iat" */
 891       }           /* end of cycle "ix" */
 892     }           /* end of cycle "iy" */
 893   }           /* end of cycle "iz" */
 894
 895   sfree(wkatm);
 896   sfree(wkat1);
 897   sfree(wkdot);
 898   sfree(wkbox);
 899   sfree(wknb);
 900   if (box)
 901   {
 902     sfree(x);
 903   }
 904   if (mode & FLAG_VOLUME) {
 905     vol = vol*FOURPI/(3.* (real) n_dot);
 906     *value_of_vol = vol;
 907   }
 908   if (mode & FLAG_DOTS) {
 909     *nu_dots = lfnr;
 910     *lidots = dots;
 911   }
 912   if (mode & FLAG_ATOM_AREA) {
 913     *at_area = atom_area;
 914   }
 915   *value_of_area = area;
 916
 917   if (debug)
 918     fprintf(debug,"area=%8.3f\n", area);
 919
 920   return 0;
 921 }
 922
 923
 924 #if TEST_NSC > 0
 925 #define NAT 2
 926 main () {
 927
 928   int i, j, ndots;
 929   real co[3*NAT], ra[NAT], area, volume, a, b, c;
 930   real * dots;
 931   real * at_area;
 932   FILE *fp;
 933
 934
 935   a = 1.; c= 0.1;
 936   fp = fopen("nsc.txt", "w+");
 937   for (i=1; i<=NAT; i++) {
 938     j = i-1;
 939     co[3*i-3] = j*1*c;
 940     co[3*i-2] = j*1*c;
 941     co[3*i-1] = j*1*c;
 942     /*
 943       co[3*i-3] = i*1.4;
 944       co[3*i-2] = 0.;
 945       co[3*i-1] = 0.;
 946     */
 947     /*
 948       co[3*i-2] = a*0.3;
 949       a = -a; b=0;
 950       if (i%3 == 0) b=0.5;
 951       co[3*i-1] = b;
 952       ra[i-1] = 2.0;
 953     */
 954     ra[i-1] = (1.+j*0.5)*c;
 955   }
 956   /*
 957     if (NSC(co, ra, NAT, 42, NULL, &area,
 958   */
 959   if (NSC(co, ra, NAT, 42, NULL, &area,
 960           NULL,NULL,NULL,NULL)) ERROR("error in NSC");
 961   fprintf(fp, "\n");
 962   fprintf(fp, "area     : %8.3f\n", area);
 963   fprintf(fp, "\n");
 964   fprintf(fp, "\n");
 965   fprintf(fp, "next call\n");
 966   fprintf(fp, "\n");
 967   fprintf(fp, "\n");
 968
 969   if (NSC(co, ra, NAT, 42,FLAG_VOLUME | FLAG_ATOM_AREA | FLAG_DOTS, &area,
 970           &at_area, &volume,
 971           &dots, &ndots)) ERROR("error in NSC");
 972
 973   fprintf(fp, "\n");
 974   fprintf(fp, "area     : %8.3f\n", area);
 975   printf("area     : %8.3f\n", area);
 976   fprintf(fp, "volume   : %8.3f\n", volume);
 977   printf("volume   : %8.3f\n", volume);
 978   fprintf(fp, "ndots    : %8d\n", ndots);
 979   printf("ndots    : %8d\n", ndots);
 980   fprintf(fp, "\n");
 981   for (i=1; i<=NAT; i++) {
 982     fprintf(fp, "%4d ATOM %7.2f %7.2f %7.2f  ra=%4.1f  area=%8.3f\n",
 983             i, co[3*i-3], co[3*i-2], co[3*i-1], ra[i-1], at_area[i-1]);
 984   }
 985   fprintf(fp, "\n");
 986   fprintf(fp, "DOTS : %8d\n", ndots);
 987   for (i=1; i<=ndots; i++) {
 988     fprintf(fp, "%4d DOTS %8.2f %8.2f %8.2f\n",
 989             i, dots[3*i-3], dots[3*i-2], dots[3*i-1]);
 990   }
 991 }
 992 #endif