source: sasmodels/explore/realspace.py @ d321747

core_shell_microgelsmagnetic_modelticket-1257-vesicle-productticket_1156ticket_1265_superballticket_822_more_unit_tests
Last change on this file since d321747 was 362a66f, checked in by Paul Kienzle <pkienzle@…>, 7 years ago

realspace: add shell thickness parameters in analytic comparison

  • Property mode set to 100644
File size: 31.4 KB
RevLine 
[cfa28d3]1from __future__ import division, print_function
2
3import time
4from copy import copy
[7d0afa3]5import os
6import argparse
7from collections import OrderedDict
[cfa28d3]8
9import numpy as np
10from numpy import pi, radians, sin, cos, sqrt
[032646d]11from numpy.random import poisson, uniform, randn, rand
[a1c32c2]12from numpy.polynomial.legendre import leggauss
[cfa28d3]13from scipy.integrate import simps
14from scipy.special import j1 as J1
15
[7d0afa3]16try:
17    import numba
18    USE_NUMBA = True
19except ImportError:
20    USE_NUMBA = False
21
[cfa28d3]22# Definition of rotation matrices comes from wikipedia:
23#    https://en.wikipedia.org/wiki/Rotation_matrix#Basic_rotations
24def Rx(angle):
25    """Construct a matrix to rotate points about *x* by *angle* degrees."""
26    a = radians(angle)
27    R = [[1, 0, 0],
28         [0, +cos(a), -sin(a)],
29         [0, +sin(a), +cos(a)]]
30    return np.matrix(R)
31
32def Ry(angle):
33    """Construct a matrix to rotate points about *y* by *angle* degrees."""
34    a = radians(angle)
35    R = [[+cos(a), 0, +sin(a)],
36         [0, 1, 0],
37         [-sin(a), 0, +cos(a)]]
38    return np.matrix(R)
39
40def Rz(angle):
41    """Construct a matrix to rotate points about *z* by *angle* degrees."""
42    a = radians(angle)
43    R = [[+cos(a), -sin(a), 0],
44         [+sin(a), +cos(a), 0],
45         [0, 0, 1]]
46    return np.matrix(R)
47
48def rotation(theta, phi, psi):
49    """
50    Apply the jitter transform to a set of points.
51
52    Points are stored in a 3 x n numpy matrix, not a numpy array or tuple.
53    """
54    return Rx(phi)*Ry(theta)*Rz(psi)
55
[226473d]56def apply_view(points, view):
57    """
58    Apply the view transform (theta, phi, psi) to a set of points.
59
60    Points are stored in a 3 x n numpy array.
61
62    View angles are in degrees.
63    """
64    theta, phi, psi = view
65    return np.asarray((Rz(phi)*Ry(theta)*Rz(psi))*np.matrix(points.T)).T
66
67
68def invert_view(qx, qy, view):
69    """
70    Return (qa, qb, qc) for the (theta, phi, psi) view angle at detector
71    pixel (qx, qy).
72
73    View angles are in degrees.
74    """
75    theta, phi, psi = view
76    q = np.vstack((qx.flatten(), qy.flatten(), 0*qx.flatten()))
77    return np.asarray((Rz(-psi)*Ry(-theta)*Rz(-phi))*np.matrix(q))
78
79
[cfa28d3]80class Shape:
81    rotation = np.matrix([[1., 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])
82    center = np.array([0., 0., 0.])[:, None]
83    r_max = None
84
85    def volume(self):
86        # type: () -> float
87        raise NotImplementedError()
88
89    def sample(self, density):
90        # type: (float) -> np.ndarray[N], np.ndarray[N, 3]
91        raise NotImplementedError()
92
[032646d]93    def dims(self):
94        # type: () -> float, float, float
95        raise NotImplementedError()
96
[cfa28d3]97    def rotate(self, theta, phi, psi):
98        self.rotation = rotation(theta, phi, psi) * self.rotation
99        return self
100
101    def shift(self, x, y, z):
102        self.center = self.center + np.array([x, y, z])[:, None]
103        return self
104
105    def _adjust(self, points):
106        points = np.asarray(self.rotation * np.matrix(points.T)) + self.center
107        return points.T
108
109    def r_bins(self, q, over_sampling=1, r_step=0.):
110        r_max = min(2 * pi / q[0], self.r_max)
111        if r_step == 0.:
112            r_step = 2 * pi / q[-1] / over_sampling
113        #r_step = 0.01
114        return np.arange(r_step, r_max, r_step)
115
116class Composite(Shape):
117    def __init__(self, shapes, center=(0, 0, 0), orientation=(0, 0, 0)):
118        self.shapes = shapes
119        self.rotate(*orientation)
120        self.shift(*center)
121
122        # Find the worst case distance between any two points amongst a set
123        # of shapes independent of orientation.  This could easily be a
124        # factor of two worse than necessary, e.g., a pair of thin rods
125        # end-to-end vs the same pair side-by-side.
126        distances = [((s1.r_max + s2.r_max)/2
127                      + sqrt(np.sum((s1.center - s2.center)**2)))
128                     for s1 in shapes
129                     for s2 in shapes]
130        self.r_max = max(distances + [s.r_max for s in shapes])
[032646d]131        self.volume = sum(shape.volume for shape in self.shapes)
[cfa28d3]132
133    def sample(self, density):
134        values, points = zip(*(shape.sample(density) for shape in self.shapes))
135        return np.hstack(values), self._adjust(np.vstack(points))
136
137class Box(Shape):
138    def __init__(self, a, b, c,
139                 value, center=(0, 0, 0), orientation=(0, 0, 0)):
140        self.value = np.asarray(value)
141        self.rotate(*orientation)
142        self.shift(*center)
143        self.a, self.b, self.c = a, b, c
144        self._scale = np.array([a/2, b/2, c/2])[None, :]
145        self.r_max = sqrt(a**2 + b**2 + c**2)
[032646d]146        self.dims = a, b, c
147        self.volume = a*b*c
[cfa28d3]148
149    def sample(self, density):
[032646d]150        num_points = poisson(density*self.volume)
[cfa28d3]151        points = self._scale*uniform(-1, 1, size=(num_points, 3))
152        values = self.value.repeat(points.shape[0])
153        return values, self._adjust(points)
154
155class EllipticalCylinder(Shape):
156    def __init__(self, ra, rb, length,
157                 value, center=(0, 0, 0), orientation=(0, 0, 0)):
158        self.value = np.asarray(value)
159        self.rotate(*orientation)
160        self.shift(*center)
161        self.ra, self.rb, self.length = ra, rb, length
162        self._scale = np.array([ra, rb, length/2])[None, :]
163        self.r_max = sqrt(4*max(ra, rb)**2 + length**2)
[032646d]164        self.dims = 2*ra, 2*rb, length
165        self.volume = pi*ra*rb*length
[cfa28d3]166
167    def sample(self, density):
[032646d]168        # randomly sample from a box of side length 2*r, excluding anything
169        # not in the cylinder
[cfa28d3]170        num_points = poisson(density*4*self.ra*self.rb*self.length)
171        points = uniform(-1, 1, size=(num_points, 3))
172        radius = points[:, 0]**2 + points[:, 1]**2
[893bea2]173        points = points[radius <= 1]
[cfa28d3]174        values = self.value.repeat(points.shape[0])
[893bea2]175        return values, self._adjust(self._scale*points)
176
177class EllipticalBicelle(Shape):
178    def __init__(self, ra, rb, length,
179                 thick_rim, thick_face,
180                 value_core, value_rim, value_face,
181                 center=(0, 0, 0), orientation=(0, 0, 0)):
182        self.rotate(*orientation)
183        self.shift(*center)
184        self.value = value_core
185        self.ra, self.rb, self.length = ra, rb, length
186        self.thick_rim, self.thick_face = thick_rim, thick_face
187        self.value_rim, self.value_face = value_rim, value_face
188
189        # reset cylinder to outer dimensions for calculating scale, etc.
190        ra = self.ra + self.thick_rim
191        rb = self.rb + self.thick_rim
192        length = self.length + 2*self.thick_face
193        self._scale = np.array([ra, rb, length/2])[None, :]
194        self.r_max = sqrt(4*max(ra, rb)**2 + length**2)
195        self.dims = 2*ra, 2*rb, length
196        self.volume = pi*ra*rb*length
197
198    def sample(self, density):
199        # randomly sample from a box of side length 2*r, excluding anything
200        # not in the cylinder
201        ra = self.ra + self.thick_rim
202        rb = self.rb + self.thick_rim
203        length = self.length + 2*self.thick_face
204        num_points = poisson(density*4*ra*rb*length)
205        points = uniform(-1, 1, size=(num_points, 3))
206        radius = points[:, 0]**2 + points[:, 1]**2
207        points = points[radius <= 1]
208        # set all to core value first
209        values = np.ones_like(points[:, 0])*self.value
210        # then set value to face value if |z| > face/(length/2))
211        values[abs(points[:, 2]) > self.length/(self.length + 2*self.thick_face)] = self.value_face
212        # finally set value to rim value if outside the core ellipse
[362a66f]213        radius = (points[:, 0]**2*(1 + self.thick_rim/self.ra)**2
214                  + points[:, 1]**2*(1 + self.thick_rim/self.rb)**2)
[893bea2]215        values[radius>1] = self.value_rim
216        return values, self._adjust(self._scale*points)
[cfa28d3]217
218class TriaxialEllipsoid(Shape):
219    def __init__(self, ra, rb, rc,
220                 value, center=(0, 0, 0), orientation=(0, 0, 0)):
221        self.value = np.asarray(value)
222        self.rotate(*orientation)
223        self.shift(*center)
224        self.ra, self.rb, self.rc = ra, rb, rc
225        self._scale = np.array([ra, rb, rc])[None, :]
226        self.r_max = 2*max(ra, rb, rc)
[032646d]227        self.dims = 2*ra, 2*rb, 2*rc
228        self.volume = 4*pi/3 * ra * rb * rc
[cfa28d3]229
230    def sample(self, density):
231        # randomly sample from a box of side length 2*r, excluding anything
232        # not in the ellipsoid
233        num_points = poisson(density*8*self.ra*self.rb*self.rc)
234        points = uniform(-1, 1, size=(num_points, 3))
235        radius = np.sum(points**2, axis=1)
236        points = self._scale*points[radius <= 1]
237        values = self.value.repeat(points.shape[0])
238        return values, self._adjust(points)
239
240class Helix(Shape):
241    def __init__(self, helix_radius, helix_pitch, tube_radius, tube_length,
242                 value, center=(0, 0, 0), orientation=(0, 0, 0)):
243        self.value = np.asarray(value)
244        self.rotate(*orientation)
245        self.shift(*center)
[032646d]246        helix_length = helix_pitch * tube_length/sqrt(helix_radius**2 + helix_pitch**2)
247        total_radius = self.helix_radius + self.tube_radius
[cfa28d3]248        self.helix_radius, self.helix_pitch = helix_radius, helix_pitch
249        self.tube_radius, self.tube_length = tube_radius, tube_length
[032646d]250        self.r_max = sqrt(4*total_radius + (helix_length + 2*tube_radius)**2)
251        self.dims = 2*total_radius, 2*total_radius, helix_length
[cfa28d3]252        # small tube radius approximation; for larger tubes need to account
253        # for the fact that the inner length is much shorter than the outer
254        # length
[032646d]255        self.volume = pi*self.tube_radius**2*self.tube_length
[cfa28d3]256
257    def points(self, density):
258        num_points = poisson(density*4*self.tube_radius**2*self.tube_length)
259        points = uniform(-1, 1, size=(num_points, 3))
260        radius = points[:, 0]**2 + points[:, 1]**2
261        points = points[radius <= 1]
262
263        # Based on math stackexchange answer by Jyrki Lahtonen
264        #     https://math.stackexchange.com/a/461637
265        # with helix along z rather than x [so tuples in answer are (z, x, y)]
266        # and with random points in the cross section (p1, p2) rather than
267        # uniform points on the surface (cos u, sin u).
268        a, R = self.tube_radius, self.helix_radius
269        h = self.helix_pitch
270        scale = 1/sqrt(R**2 + h**2)
271        t = points[:, 3] * (self.tube_length * scale/2)
272        cos_t, sin_t = cos(t), sin(t)
273
274        # rx = R*cos_t
275        # ry = R*sin_t
276        # rz = h*t
277        # nx = -a * cos_t * points[:, 1]
278        # ny = -a * sin_t * points[:, 1]
279        # nz = 0
280        # bx = (a * h/scale) * sin_t * points[:, 2]
281        # by = (-a * h/scale) * cos_t * points[:, 2]
282        # bz = a*R/scale
283        # x = rx + nx + bx
284        # y = ry + ny + by
285        # z = rz + nz + bz
286        u, v = (R - a*points[:, 1]), (a * h/scale)*points[:, 2]
287        x = u * cos_t + v * sin_t
288        y = u * sin_t - v * cos_t
289        z = a*R/scale + h * t
290
291        points = np.hstack((x, y, z))
292        values = self.value.repeat(points.shape[0])
293        return values, self._adjust(points)
294
[7d0afa3]295def csbox(a=10, b=20, c=30, da=1, db=2, dc=3, slda=1, sldb=2, sldc=3, sld_core=4):
296    core = Box(a, b, c, sld_core)
297    side_a = Box(da, b, c, slda, center=((a+da)/2, 0, 0))
298    side_b = Box(a, db, c, sldb, center=(0, (b+db)/2, 0))
299    side_c = Box(a, b, dc, sldc, center=(0, 0, (c+dc)/2))
300    side_a2 = copy(side_a).shift(-a-da, 0, 0)
301    side_b2 = copy(side_b).shift(0, -b-db, 0)
302    side_c2 = copy(side_c).shift(0, 0, -c-dc)
303    shape = Composite((core, side_a, side_b, side_c, side_a2, side_b2, side_c2))
[032646d]304    shape.dims = 2*da+a, 2*db+b, 2*dc+c
[7d0afa3]305    return shape
306
307def _Iqxy(values, x, y, z, qa, qb, qc):
308    """I(q) = |sum V(r) rho(r) e^(1j q.r)|^2 / sum V(r)"""
309    Iq = [abs(np.sum(values*np.exp(1j*(qa_k*x + qb_k*y + qc_k*z))))**2
310            for qa_k, qb_k, qc_k in zip(qa.flat, qb.flat, qc.flat)]
311    return Iq
312
313if USE_NUMBA:
314    # Override simple numpy solution with numba if available
[8fb2a94]315    from numba import njit
316    @njit("f8[:](f8[:],f8[:],f8[:],f8[:],f8[:],f8[:],f8[:])")
[8bd379a]317    def _Iqxy(values, x, y, z, qa, qb, qc):
[8fb2a94]318        Iq = np.zeros_like(qa)
319        for j in range(len(Iq)):
320            total = 0. + 0j
[8bd379a]321            for k in range(len(values)):
[8fb2a94]322                total += values[k]*np.exp(1j*(qa[j]*x[k] + qb[j]*y[k] + qc[j]*z[k]))
323            Iq[j] = abs(total)**2
324        return Iq
325
326def calc_Iqxy(qx, qy, rho, points, volume=1.0, view=(0, 0, 0)):
[226473d]327    qx, qy = np.broadcast_arrays(qx, qy)
328    qa, qb, qc = invert_view(qx, qy, view)
329    rho, volume = np.broadcast_arrays(rho, volume)
330    values = rho*volume
[8fb2a94]331    x, y, z = points.T
[8bd379a]332    values, x, y, z, qa, qb, qc = [np.asarray(v, 'd')
333                                   for v in (values, x, y, z, qa, qb, qc)]
[226473d]334
335    # I(q) = |sum V(r) rho(r) e^(1j q.r)|^2 / sum V(r)
[7d0afa3]336    Iq = _Iqxy(values, x, y, z, qa.flatten(), qb.flatten(), qc.flatten())
[8fb2a94]337    return np.asarray(Iq).reshape(qx.shape) / np.sum(volume)
[226473d]338
[cfa28d3]339def _calc_Pr_nonuniform(r, rho, points):
340    # Make Pr a little be bigger than necessary so that only distances
341    # min < d < max end up in Pr
342    n_max = len(r)+1
343    extended_Pr = np.zeros(n_max+1, 'd')
344    # r refers to bin centers; find corresponding bin edges
345    bins = bin_edges(r)
346    t_next = time.clock() + 3
347    for k, rho_k in enumerate(rho[:-1]):
348        distance = sqrt(np.sum((points[k] - points[k+1:])**2, axis=1))
349        weights = rho_k * rho[k+1:]
350        index = np.searchsorted(bins, distance)
351        # Note: indices may be duplicated, so "Pr[index] += w" will not work!!
352        extended_Pr += np.bincount(index, weights, n_max+1)
353        t = time.clock()
354        if t > t_next:
355            t_next = t + 3
356            print("processing %d of %d"%(k, len(rho)-1))
357    Pr = extended_Pr[1:-1]
[8fb2a94]358    return Pr
[cfa28d3]359
[8fb2a94]360def _calc_Pr_uniform(r, rho, points):
[cfa28d3]361    # Make Pr a little be bigger than necessary so that only distances
362    # min < d < max end up in Pr
[8fb2a94]363    dr, n_max = r[0], len(r)
[cfa28d3]364    extended_Pr = np.zeros(n_max+1, 'd')
365    t0 = time.clock()
366    t_next = t0 + 3
367    for k, rho_k in enumerate(rho[:-1]):
368        distances = sqrt(np.sum((points[k] - points[k+1:])**2, axis=1))
369        weights = rho_k * rho[k+1:]
[8fb2a94]370        index = np.minimum(np.asarray(distances/dr, 'i'), n_max)
[cfa28d3]371        # Note: indices may be duplicated, so "Pr[index] += w" will not work!!
372        extended_Pr += np.bincount(index, weights, n_max+1)
373        t = time.clock()
374        if t > t_next:
375            t_next = t + 3
376            print("processing %d of %d"%(k, len(rho)-1))
377    #print("time py:", time.clock() - t0)
378    Pr = extended_Pr[:-1]
379    # Make Pr independent of sampling density.  The factor of 2 comes because
380    # we are only accumulating the upper triangular distances.
381    #Pr = Pr * 2 / len(rho)**2
[8fb2a94]382    return Pr
[cfa28d3]383
384    # Can get an additional 2x by going to C.  Cuda/OpenCL will allow even
385    # more speedup, though still bounded by the n^2 cose.
386    """
387void pdfcalc(int n, const double *pts, const double *rho,
388             int nPr, double *Pr, double rstep)
389{
390  int i,j;
391
392  for (i=0; i<n-2; i++) {
393    for (j=i+1; j<=n-1; j++) {
394      const double dxx=pts[3*i]-pts[3*j];
395      const double dyy=pts[3*i+1]-pts[3*j+1];
396      const double dzz=pts[3*i+2]-pts[3*j+2];
397      const double d=sqrt(dxx*dxx+dyy*dyy+dzz*dzz);
398      const int k=rint(d/rstep);
399      if (k < nPr) Pr[k]+=rho[i]*rho[j];
400    }
401  }
402}
403"""
404
[7d0afa3]405if USE_NUMBA:
406    # Override simple numpy solution with numba if available
[8fb2a94]407    @njit("f8[:](f8[:], f8[:], f8[:,:])")
[7d0afa3]408    def _calc_Pr_uniform(r, rho, points):
[8fb2a94]409        dr = r[0]
410        n_max = len(r)
411        Pr = np.zeros_like(r)
412        for j in range(len(rho) - 1):
413            x, y, z = points[j, 0], points[j, 1], points[j, 2]
414            for k in range(j+1, len(rho)):
415                distance = sqrt((x - points[k, 0])**2
416                                + (y - points[k, 1])**2
417                                + (z - points[k, 2])**2)
418                index = int(distance/dr)
419                if index < n_max:
420                    Pr[index] += rho[j] * rho[k]
421        # Make Pr independent of sampling density.  The factor of 2 comes because
422        # we are only accumulating the upper triangular distances.
423        #Pr = Pr * 2 / len(rho)**2
424        return Pr
425
426
427def calc_Pr(r, rho, points):
428    # P(r) with uniform steps in r is 3x faster; check if we are uniform
429    # before continuing
[8bd379a]430    r, rho, points = [np.asarray(v, 'd') for v in (r, rho, points)]
[8fb2a94]431    if np.max(np.abs(np.diff(r) - r[0])) > r[0]*0.01:
432        Pr = _calc_Pr_nonuniform(r, rho, points)
433    else:
[7d0afa3]434        Pr = _calc_Pr_uniform(r, rho, points)
[8fb2a94]435    return Pr / Pr.max()
436
437
[cfa28d3]438def j0(x):
439    return np.sinc(x/np.pi)
440
441def calc_Iq(q, r, Pr):
442    Iq = np.array([simps(Pr * j0(qk*r), r) for qk in q])
443    #Iq = np.array([np.trapz(Pr * j0(qk*r), r) for qk in q])
444    Iq /= Iq[0]
445    return Iq
446
447# NOTE: copied from sasmodels/resolution.py
448def bin_edges(x):
449    """
450    Determine bin edges from bin centers, assuming that edges are centered
451    between the bins.
452
453    Note: this uses the arithmetic mean, which may not be appropriate for
454    log-scaled data.
455    """
456    if len(x) < 2 or (np.diff(x) < 0).any():
457        raise ValueError("Expected bins to be an increasing set")
458    edges = np.hstack([
459        x[0]  - 0.5*(x[1]  - x[0]),  # first point minus half first interval
460        0.5*(x[1:] + x[:-1]),        # mid points of all central intervals
461        x[-1] + 0.5*(x[-1] - x[-2]), # last point plus half last interval
462        ])
463    return edges
464
[7d0afa3]465# -------------- plotters ----------------
[3db96b0]466def plot_calc(r, Pr, q, Iq, theory=None, title=None):
[cfa28d3]467    import matplotlib.pyplot as plt
468    plt.subplot(211)
469    plt.plot(r, Pr, '-', label="Pr")
470    plt.xlabel('r (A)')
471    plt.ylabel('Pr (1/A^2)')
[3db96b0]472    if title is not None:
473        plt.title(title)
[cfa28d3]474    plt.subplot(212)
475    plt.loglog(q, Iq, '-', label='from Pr')
476    plt.xlabel('q (1/A')
477    plt.ylabel('Iq')
478    if theory is not None:
[7d0afa3]479        plt.loglog(theory[0], theory[1]/theory[1][0], '-', label='analytic')
[cfa28d3]480        plt.legend()
481
[3db96b0]482def plot_calc_2d(qx, qy, Iqxy, theory=None, title=None):
[226473d]483    import matplotlib.pyplot as plt
484    qx, qy = bin_edges(qx), bin_edges(qy)
485    #qx, qy = np.meshgrid(qx, qy)
486    if theory is not None:
487        plt.subplot(121)
[3db96b0]488    #plt.pcolor(qx, qy, np.log10(Iqxy))
489    extent = [qx[0], qx[-1], qy[0], qy[-1]]
490    plt.imshow(np.log10(Iqxy), extent=extent, interpolation="nearest",
491               origin='lower')
[226473d]492    plt.xlabel('qx (1/A)')
493    plt.ylabel('qy (1/A)')
[3db96b0]494    plt.axis('equal')
495    plt.axis(extent)
496    #plt.grid(True)
497    if title is not None:
498        plt.title(title)
[226473d]499    if theory is not None:
500        plt.subplot(122)
[3db96b0]501        plt.imshow(np.log10(theory), extent=extent, interpolation="nearest",
502                   origin='lower')
503        plt.axis('equal')
504        plt.axis(extent)
[226473d]505        plt.xlabel('qx (1/A)')
506
[cfa28d3]507def plot_points(rho, points):
508    import mpl_toolkits.mplot3d
509    import matplotlib.pyplot as plt
510
511    ax = plt.axes(projection='3d')
512    try:
513        ax.axis('square')
514    except Exception:
515        pass
516    n = len(points)
[2ab331f]517    #print("len points", n)
518    index = np.random.choice(n, size=500) if n > 500 else slice(None, None)
[cfa28d3]519    ax.scatter(points[index, 0], points[index, 1], points[index, 2], c=rho[index])
[4f6f9431]520    # make square axes
521    minmax = np.array([points.min(), points.max()])
522    ax.scatter(minmax, minmax, minmax, c='w')
[cfa28d3]523    #low, high = points.min(axis=0), points.max(axis=0)
524    #ax.axis([low[0], high[0], low[1], high[1], low[2], high[2]])
[893bea2]525    ax.set_xlabel("x")
526    ax.set_ylabel("y")
527    ax.set_zlabel("z")
[cfa28d3]528    ax.autoscale(True)
529
[7d0afa3]530# ----------- Analytic models --------------
[97be877]531def sas_sinx_x(x):
532    with np.errstate(all='ignore'):
533        retvalue = sin(x)/x
534    retvalue[x == 0.] = 1.
535    return retvalue
536
[cfa28d3]537def sas_2J1x_x(x):
538    with np.errstate(all='ignore'):
539        retvalue = 2*J1(x)/x
540    retvalue[x == 0] = 1.
541    return retvalue
542
543def sas_3j1x_x(x):
544    """return 3*j1(x)/x"""
545    with np.errstate(all='ignore'):
546        retvalue = 3*(sin(x) - x*cos(x))/x**3
547    retvalue[x == 0.] = 1.
548    return retvalue
549
550def cylinder_Iq(q, radius, length):
[a1c32c2]551    z, w = leggauss(76)
552    cos_alpha = (z+1)/2
553    sin_alpha = sqrt(1.0 - cos_alpha**2)
[cfa28d3]554    Iq = np.empty_like(q)
555    for k, qk in enumerate(q):
[a1c32c2]556        qab, qc = qk*sin_alpha, qk*cos_alpha
[7d0afa3]557        Fq = sas_2J1x_x(qab*radius) * sas_sinx_x(qc*length/2)
[a1c32c2]558        Iq[k] = np.sum(w*Fq**2)
[032646d]559    Iq = Iq
[cfa28d3]560    return Iq
561
[226473d]562def cylinder_Iqxy(qx, qy, radius, length, view=(0, 0, 0)):
563    qa, qb, qc = invert_view(qx, qy, view)
[7d0afa3]564    qab = sqrt(qa**2 + qb**2)
565    Fq = sas_2J1x_x(qab*radius) * sas_sinx_x(qc*length/2)
[226473d]566    Iq = Fq**2
567    return Iq.reshape(qx.shape)
568
[cfa28d3]569def sphere_Iq(q, radius):
570    Iq = sas_3j1x_x(q*radius)**2
[032646d]571    return Iq
[cfa28d3]572
[7d0afa3]573def box_Iq(q, a, b, c):
574    z, w = leggauss(76)
575    outer_sum = np.zeros_like(q)
576    for cos_alpha, outer_w in zip((z+1)/2, w):
577        sin_alpha = sqrt(1.0-cos_alpha*cos_alpha)
578        qc = q*cos_alpha
579        siC = c*sas_sinx_x(c*qc/2)
580        inner_sum = np.zeros_like(q)
581        for beta, inner_w in zip((z + 1)*pi/4, w):
582            qa, qb = q*sin_alpha*sin(beta), q*sin_alpha*cos(beta)
583            siA = a*sas_sinx_x(a*qa/2)
584            siB = b*sas_sinx_x(b*qb/2)
585            Fq = siA*siB*siC
586            inner_sum += inner_w * Fq**2
587        outer_sum += outer_w * inner_sum
588    Iq = outer_sum / 4  # = outer*um*zm*8.0/(4.0*M_PI)
[032646d]589    return Iq
[7d0afa3]590
591def box_Iqxy(qx, qy, a, b, c, view=(0, 0, 0)):
592    qa, qb, qc = invert_view(qx, qy, view)
593    sia = sas_sinx_x(qa*a/2)
594    sib = sas_sinx_x(qb*b/2)
595    sic = sas_sinx_x(qc*c/2)
596    Fq = sia*sib*sic
597    Iq = Fq**2
598    return Iq.reshape(qx.shape)
599
[cfa28d3]600def csbox_Iq(q, a, b, c, da, db, dc, slda, sldb, sldc, sld_core):
[a1c32c2]601    z, w = leggauss(76)
602
[cfa28d3]603    sld_solvent = 0
604    overlapping = False
605    dr0 = sld_core - sld_solvent
606    drA, drB, drC = slda-sld_solvent, sldb-sld_solvent, sldc-sld_solvent
607    tA, tB, tC = a + 2*da, b + 2*db, c + 2*dc
608
[a1c32c2]609    outer_sum = np.zeros_like(q)
610    for cos_alpha, outer_w in zip((z+1)/2, w):
[cfa28d3]611        sin_alpha = sqrt(1.0-cos_alpha*cos_alpha)
612        qc = q*cos_alpha
[7d0afa3]613        siC = c*sas_sinx_x(c*qc/2)
614        siCt = tC*sas_sinx_x(tC*qc/2)
[a1c32c2]615        inner_sum = np.zeros_like(q)
616        for beta, inner_w in zip((z + 1)*pi/4, w):
[cfa28d3]617            qa, qb = q*sin_alpha*sin(beta), q*sin_alpha*cos(beta)
[7d0afa3]618            siA = a*sas_sinx_x(a*qa/2)
619            siB = b*sas_sinx_x(b*qb/2)
620            siAt = tA*sas_sinx_x(tA*qa/2)
621            siBt = tB*sas_sinx_x(tB*qb/2)
[cfa28d3]622            if overlapping:
[a1c32c2]623                Fq = (dr0*siA*siB*siC
624                      + drA*(siAt-siA)*siB*siC
625                      + drB*siAt*(siBt-siB)*siC
626                      + drC*siAt*siBt*(siCt-siC))
[cfa28d3]627            else:
[a1c32c2]628                Fq = (dr0*siA*siB*siC
629                      + drA*(siAt-siA)*siB*siC
630                      + drB*siA*(siBt-siB)*siC
631                      + drC*siA*siB*(siCt-siC))
632            inner_sum += inner_w * Fq**2
633        outer_sum += outer_w * inner_sum
634    Iq = outer_sum / 4  # = outer*um*zm*8.0/(4.0*M_PI)
[cfa28d3]635    return Iq/Iq[0]
636
[97be877]637def csbox_Iqxy(qx, qy, a, b, c, da, db, dc, slda, sldb, sldc, sld_core, view=(0,0,0)):
638    qa, qb, qc = invert_view(qx, qy, view)
[226473d]639
[97be877]640    sld_solvent = 0
641    overlapping = False
642    dr0 = sld_core - sld_solvent
643    drA, drB, drC = slda-sld_solvent, sldb-sld_solvent, sldc-sld_solvent
644    tA, tB, tC = a + 2*da, b + 2*db, c + 2*dc
645    siA = a*sas_sinx_x(a*qa/2)
646    siB = b*sas_sinx_x(b*qb/2)
647    siC = c*sas_sinx_x(c*qc/2)
648    siAt = tA*sas_sinx_x(tA*qa/2)
649    siBt = tB*sas_sinx_x(tB*qb/2)
650    siCt = tC*sas_sinx_x(tC*qc/2)
651    Fq = (dr0*siA*siB*siC
652          + drA*(siAt-siA)*siB*siC
653          + drB*siA*(siBt-siB)*siC
654          + drC*siA*siB*(siCt-siC))
655    Iq = Fq**2
656    return Iq.reshape(qx.shape)
[226473d]657
[893bea2]658def sasmodels_Iq(kernel, q, pars):
659    from sasmodels.data import empty_data1D
660    from sasmodels.direct_model import DirectModel
661    data = empty_data1D(q)
662    calculator = DirectModel(data, kernel)
663    Iq = calculator(**pars)
664    return Iq
665
666def sasmodels_Iqxy(kernel, qx, qy, pars, view):
667    from sasmodels.data import Data2D
668    from sasmodels.direct_model import DirectModel
669    Iq = 100 * np.ones_like(qx)
670    data = Data2D(x=qx, y=qy, z=Iq, dx=None, dy=None, dz=np.sqrt(Iq))
671    data.x_bins = qx[0,:]
672    data.y_bins = qy[:,0]
673    data.filename = "fake data"
674
675    calculator = DirectModel(data, kernel)
676    pars_plus_view = pars.copy()
677    pars_plus_view.update(theta=view[0], phi=view[1], psi=view[2])
678    Iqxy = calculator(**pars_plus_view)
679    return Iqxy.reshape(qx.shape)
680
681def wrap_sasmodel(name, **pars):
682    from sasmodels.core import load_model
683    kernel = load_model(name)
684    fn = lambda q: sasmodels_Iq(kernel, q, pars)
685    fn_xy = lambda qx, qy, view: sasmodels_Iqxy(kernel, qx, qy, pars, view)
686    return fn, fn_xy
687
688
[7d0afa3]689# --------- Test cases -----------
[cfa28d3]690
[032646d]691def build_cylinder(radius=25, length=125, rho=2.):
[226473d]692    shape = EllipticalCylinder(radius, radius, length, rho)
[7d0afa3]693    fn = lambda q: cylinder_Iq(q, radius, length)*rho**2
694    fn_xy = lambda qx, qy, view: cylinder_Iqxy(qx, qy, radius, length, view=view)*rho**2
695    return shape, fn, fn_xy
[226473d]696
[032646d]697def build_sphere(radius=125, rho=2):
[cfa28d3]698    shape = TriaxialEllipsoid(radius, radius, radius, rho)
[032646d]699    fn = lambda q: sphere_Iq(q, radius)*rho**2
[7d0afa3]700    fn_xy = lambda qx, qy, view: sphere_Iq(np.sqrt(qx**2+qy**2), radius)*rho**2
701    return shape, fn, fn_xy
702
[032646d]703def build_box(a=10, b=20, c=30, rho=2.):
[7d0afa3]704    shape = Box(a, b, c, rho)
705    fn = lambda q: box_Iq(q, a, b, c)*rho**2
706    fn_xy = lambda qx, qy, view: box_Iqxy(qx, qy, a, b, c, view=view)*rho**2
707    return shape, fn, fn_xy
708
[032646d]709def build_csbox(a=10, b=20, c=30, da=1, db=2, dc=3, slda=1, sldb=2, sldc=3, sld_core=4):
[7d0afa3]710    shape = csbox(a, b, c, da, db, dc, slda, sldb, sldc, sld_core)
711    fn = lambda q: csbox_Iq(q, a, b, c, da, db, dc, slda, sldb, sldc, sld_core)
712    fn_xy = lambda qx, qy, view: csbox_Iqxy(qx, qy, a, b, c, da, db, dc,
713                                            slda, sldb, sldc, sld_core, view=view)
714    return shape, fn, fn_xy
715
[893bea2]716def build_ellcyl(ra=25, rb=50, length=125, rho=2.):
717    shape = EllipticalCylinder(ra, rb, length, rho)
718    fn, fn_xy = wrap_sasmodel(
719        'elliptical_cylinder',
720        scale=1,
721        background=0,
722        radius_minor=ra,
723        axis_ratio=rb/ra,
724        length=length,
725        sld=rho,
726        sld_solvent=0,
727    )
728    return shape, fn, fn_xy
729
730def build_cscyl(ra=30, rb=90, length=30, thick_rim=8, thick_face=14,
731                sld_core=4, sld_rim=1, sld_face=7):
732    shape = EllipticalBicelle(
733        ra=ra, rb=rb, length=length,
734        thick_rim=thick_rim, thick_face=thick_face,
735        value_core=sld_core, value_rim=sld_rim, value_face=sld_face,
736        )
737    fn, fn_xy = wrap_sasmodel(
738        'core_shell_bicelle_elliptical',
739        scale=1,
740        background=0,
[4f6f9431]741        radius=ra,
742        x_core=rb/ra,
[893bea2]743        length=length,
[362a66f]744        thick_rim=thick_rim,
745        thick_face=thick_face,
[893bea2]746        sld_core=sld_core,
747        sld_face=sld_face,
748        sld_rim=sld_rim,
749        sld_solvent=0,
750    )
751    return shape, fn, fn_xy
752
[032646d]753def build_cubic_lattice(shape, nx=1, ny=1, nz=1, dx=2, dy=2, dz=2,
754                  shuffle=0, rotate=0):
755    a, b, c = shape.dims
756    shapes = [copy(shape)
757              .shift((ix+(randn() if shuffle < 0.3 else rand())*shuffle)*dx*a,
758                     (iy+(randn() if shuffle < 0.3 else rand())*shuffle)*dy*b,
759                     (iz+(randn() if shuffle < 0.3 else rand())*shuffle)*dz*c)
760              .rotate(*((randn(3) if rotate < 30 else rand(3))*rotate))
761              for ix in range(nx)
762              for iy in range(ny)
763              for iz in range(nz)]
764    lattice = Composite(shapes)
765    return lattice
766
[7d0afa3]767
768SHAPE_FUNCTIONS = OrderedDict([
[893bea2]769    ("cyl", build_cylinder),
770    ("ellcyl", build_ellcyl),
[032646d]771    ("sphere", build_sphere),
772    ("box", build_box),
773    ("csbox", build_csbox),
[893bea2]774    ("cscyl", build_cscyl),
[7d0afa3]775])
776SHAPES = list(SHAPE_FUNCTIONS.keys())
777
778def check_shape(title, shape, fn=None, show_points=False,
779                mesh=100, qmax=1.0, r_step=0.01, samples=5000):
780    rho_solvent = 0
[032646d]781    qmin = qmax/100.
[7d0afa3]782    q = np.logspace(np.log10(qmin), np.log10(qmax), mesh)
783    r = shape.r_bins(q, r_step=r_step)
[032646d]784    sampling_density = samples / shape.volume
[7d0afa3]785    rho, points = shape.sample(sampling_density)
786    t0 = time.time()
787    Pr = calc_Pr(r, rho-rho_solvent, points)
788    print("calc Pr time", time.time() - t0)
789    Iq = calc_Iq(q, r, Pr)
790    theory = (q, fn(q)) if fn is not None else None
791
792    import pylab
793    if show_points:
794         plot_points(rho, points); pylab.figure()
[3db96b0]795    plot_calc(r, Pr, q, Iq, theory=theory, title=title)
[7d0afa3]796    pylab.gcf().canvas.set_window_title(title)
797    pylab.show()
798
799def check_shape_2d(title, shape, fn=None, view=(0, 0, 0), show_points=False,
800                   mesh=100, qmax=1.0, samples=5000):
801    rho_solvent = 0
[893bea2]802    #qx = np.linspace(0.0, qmax, mesh)
803    #qy = np.linspace(0.0, qmax, mesh)
804    qx = np.linspace(-qmax, qmax, mesh)
805    qy = np.linspace(-qmax, qmax, mesh)
[7d0afa3]806    Qx, Qy = np.meshgrid(qx, qy)
[032646d]807    sampling_density = samples / shape.volume
808    t0 = time.time()
[7d0afa3]809    rho, points = shape.sample(sampling_density)
[032646d]810    print("point generation time", time.time() - t0)
[7d0afa3]811    t0 = time.time()
812    Iqxy = calc_Iqxy(Qx, Qy, rho, points, view=view)
813    print("calc Iqxy time", time.time() - t0)
[893bea2]814    t0 = time.time()
[7d0afa3]815    theory = fn(Qx, Qy, view) if fn is not None else None
[893bea2]816    print("calc theory time", time.time() - t0)
[7d0afa3]817    Iqxy += 0.001 * Iqxy.max()
818    if theory is not None:
819        theory += 0.001 * theory.max()
820
821    import pylab
822    if show_points:
823        plot_points(rho, points); pylab.figure()
[3db96b0]824    plot_calc_2d(qx, qy, Iqxy, theory=theory, title=title)
[7d0afa3]825    pylab.gcf().canvas.set_window_title(title)
826    pylab.show()
827
828def main():
829    parser = argparse.ArgumentParser(
830        description="Compute scattering from realspace sampling",
831        formatter_class=argparse.ArgumentDefaultsHelpFormatter,
832        )
[032646d]833    parser.add_argument('-d', '--dim', type=int, default=1,
834                        help='dimension 1 or 2')
835    parser.add_argument('-m', '--mesh', type=int, default=100,
836                        help='number of mesh points')
837    parser.add_argument('-s', '--samples', type=int, default=5000,
838                        help="number of sample points")
839    parser.add_argument('-q', '--qmax', type=float, default=0.5,
840                        help='max q')
841    parser.add_argument('-v', '--view', type=str, default='0,0,0',
842                        help='theta,phi,psi angles')
843    parser.add_argument('-n', '--lattice', type=str, default='1,1,1',
844                        help='lattice size')
845    parser.add_argument('-z', '--spacing', type=str, default='2,2,2',
846                        help='lattice spacing')
847    parser.add_argument('-r', '--rotate', type=float, default=0.,
848                        help="rotation relative to lattice, gaussian < 30 degrees, uniform otherwise")
849    parser.add_argument('-w', '--shuffle', type=float, default=0.,
850                        help="position relative to lattice, gaussian < 0.3, uniform otherwise")
851    parser.add_argument('-p', '--plot', action='store_true',
852                        help='plot points')
853    parser.add_argument('shape', choices=SHAPES, nargs='?', default=SHAPES[0],
854                        help='oriented shape')
[7d0afa3]855    parser.add_argument('pars', type=str, nargs='*', help='shape parameters')
856    opts = parser.parse_args()
857    pars = {key: float(value) for p in opts.pars for key, value in [p.split('=')]}
[032646d]858    nx, ny, nz = [int(v) for v in opts.lattice.split(',')]
859    dx, dy, dz = [float(v) for v in opts.spacing.split(',')]
860    shuffle, rotate = opts.shuffle, opts.rotate
[7d0afa3]861    shape, fn, fn_xy = SHAPE_FUNCTIONS[opts.shape](**pars)
[032646d]862    if nx > 1 or ny > 1 or nz > 1:
863        shape = build_cubic_lattice(shape, nx, ny, nz, dx, dy, dz, shuffle, rotate)
[7d0afa3]864    title = "%s(%s)" % (opts.shape, " ".join(opts.pars))
865    if opts.dim == 1:
866        check_shape(title, shape, fn, show_points=opts.plot,
867                    mesh=opts.mesh, qmax=opts.qmax, samples=opts.samples)
868    else:
869        view = tuple(float(v) for v in opts.view.split(','))
870        check_shape_2d(title, shape, fn_xy, view=view, show_points=opts.plot,
871                       mesh=opts.mesh, qmax=opts.qmax, samples=opts.samples)
[cfa28d3]872
[97be877]873
[cfa28d3]874if __name__ == "__main__":
[7d0afa3]875    main()
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.