Line data    Source code

       1           1 : // Distributed under the MIT License.
       2             : // See LICENSE.txt for details.
       3             : 
       4             : /// \file
       5             : /// Defines the class Rotation.
       6             : 
       7             : #pragma once
       8             : 
       9             : #include <array>
      10             : #include <cstddef>
      11             : #include <limits>
      12             : #include <optional>
      13             : 
      14             : #include "DataStructures/Tensor/Tensor.hpp"
      15             : 
      16             : /// \cond
      17             : namespace PUP {
      18             : class er;
      19             : }  // namespace PUP
      20             : /// \endcond
      21             : 
      22             : namespace domain {
      23             : namespace CoordinateMaps {
      24             : 
      25             : /// \cond HIDDEN_SYMBOLS
      26             : template <size_t Dim>
      27             : class Rotation;
      28             : /// \endcond
      29             : 
      30             : /*!
      31             :  * \ingroup CoordinateMapsGroup
      32             :  * \brief Spatial rotation in two dimensions.
      33             :  *
      34             :  * Let \f$(R,\Phi)\f$ be the polar coordinates associated with
      35             :  * \f$(\xi,\eta)\f$.
      36             :  * Let \f$(r,\phi)\f$ be the polar coordinates associated with \f$(x,y)\f$.
      37             :  * Applies the spatial rotation \f$\phi = \Phi + \alpha\f$.
      38             :  *
      39             :  * The formula for the mapping is:
      40             :  *\f{eqnarray*}
      41             :   x &=& \xi \cos \alpha - \eta \sin \alpha \\
      42             :   y &=& \xi \sin \alpha + \eta \cos \alpha
      43             :   \f}.
      44             :  */
      45             : template <>
      46           1 : class Rotation<2> {
      47             :  public:
      48           0 :   static constexpr size_t dim = 2;
      49             : 
      50             :   /// Constructor.
      51             :   ///
      52             :   /// \param rotation_angle the angle \f$\alpha\f$ (in radians).
      53           1 :   explicit Rotation(double rotation_angle);
      54           0 :   Rotation() = default;
      55           0 :   ~Rotation() = default;
      56           0 :   Rotation(const Rotation&) = default;
      57           0 :   Rotation& operator=(const Rotation&) = default;
      58           0 :   Rotation(Rotation&&) = default;  // NOLINT
      59           0 :   Rotation& operator=(Rotation&&) = default;
      60             : 
      61             :   template <typename T>
      62           0 :   std::array<T, 2> operator()(const std::array<T, 2>& source_coords) const;
      63             : 
      64             :   /// The inverse function is only callable with doubles because the inverse
      65             :   /// might fail if called for a point out of range, and it is unclear
      66             :   /// what should happen if the inverse were to succeed for some points in a
      67             :   /// DataVector but fail for other points.
      68           1 :   std::optional<std::array<double, 2>> inverse(
      69             :       const std::array<double, 2>& target_coords) const;
      70             : 
      71             :   template <typename T>
      72           0 :   tnsr::Ij<T, 2, Frame::NoFrame> jacobian(
      73             :       const std::array<T, 2>& source_coords) const;
      74             : 
      75             :   template <typename T>
      76           0 :   tnsr::Ij<T, 2, Frame::NoFrame> inv_jacobian(
      77             :       const std::array<T, 2>& source_coords) const;
      78             : 
      79             :   // NOLINTNEXTLINE(google-runtime-references)
      80           0 :   void pup(PUP::er& p);
      81             : 
      82           0 :   bool is_identity() const { return is_identity_; }
      83             : 
      84           0 :   static constexpr bool supports_hessian{true};
      85             : 
      86             :  private:
      87           0 :   friend bool operator==(const Rotation<2>& lhs, const Rotation<2>& rhs);
      88             : 
      89           0 :   double rotation_angle_{std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()};
      90           0 :   tnsr::ij<double, 2, Frame::Grid> rotation_matrix_{
      91             :       std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()};
      92           0 :   bool is_identity_{false};
      93             : };
      94             : 
      95           0 : bool operator!=(const Rotation<2>& lhs, const Rotation<2>& rhs);
      96             : 
      97             : /*!
      98             :  * \ingroup CoordinateMapsGroup
      99             :  * \brief Spatial rotation in three dimensions using Euler angles
     100             :  *
     101             :  * Rotation angles should be specified in degrees.
     102             :  * First rotation \f$\alpha\f$ is about z axis.
     103             :  * Second rotation \f$\beta\f$ is about rotated y axis.
     104             :  * Third rotation \f$\gamma\f$ is about rotated z axis.
     105             :  * These rotations are of the \f$(\xi,\eta,\zeta)\f$ coordinate system with
     106             :  * respect
     107             :  * to the grid coordinates \f$(x,y,z)\f$.
     108             :  *
     109             :  * The formula for the mapping is:
     110             :  * \f{eqnarray*}
     111             :  *   x &=& \xi (\cos\gamma \cos\beta \cos\alpha - \sin\gamma \sin\alpha)
     112             :  * + \eta (-\sin\gamma \cos\beta \cos\alpha - \cos\gamma \sin\alpha)
     113             :  * + \zeta \sin\beta \cos\alpha \\
     114             :  * y &=& \xi (\cos\gamma \cos\beta \sin\alpha + \sin\gamma \cos\alpha)
     115             :  * + \eta (-\sin\gamma \cos\beta \sin\alpha + \cos\gamma \cos\alpha)
     116             :  * + \zeta \sin\beta \sin\alpha \\
     117             :  *        z &=& -\xi \cos\gamma \sin\beta + \eta \sin\gamma \sin\beta
     118             :  *        +  \zeta \cos\beta
     119             :  *  \f}
     120             :  */
     121             : template <>
     122           1 : class Rotation<3> {
     123             :  public:
     124           0 :   static constexpr size_t dim = 3;
     125             : 
     126             :   /// Constructor.
     127             :   ///
     128             :   /// \param rotation_about_z the angle \f$\alpha\f$ (in radians).
     129             :   /// \param rotation_about_rotated_y the angle \f$\beta\f$ (in radians).
     130             :   /// \param rotation_about_rotated_z the angle \f$\gamma\f$ (in radians).
     131           1 :   Rotation(double rotation_about_z, double rotation_about_rotated_y,
     132             :            double rotation_about_rotated_z);
     133           0 :   Rotation() = default;
     134           0 :   ~Rotation() = default;
     135           0 :   Rotation(const Rotation&) = default;
     136           0 :   Rotation& operator=(const Rotation&) = default;
     137           0 :   Rotation(Rotation&&) = default;  // NOLINT
     138           0 :   Rotation& operator=(Rotation&&) = default;
     139             : 
     140             :   template <typename T>
     141           0 :   std::array<T, 3> operator()(const std::array<T, 3>& source_coords) const;
     142             : 
     143           0 :   std::optional<std::array<double, 3>> inverse(
     144             :       const std::array<double, 3>& target_coords) const;
     145             : 
     146             :   template <typename T>
     147           0 :   tnsr::Ij<T, 3, Frame::NoFrame> jacobian(
     148             :       const std::array<T, 3>& source_coords) const;
     149             : 
     150             :   template <typename T>
     151           0 :   tnsr::Ij<T, 3, Frame::NoFrame> inv_jacobian(
     152             :       const std::array<T, 3>& source_coords) const;
     153             : 
     154             :   // NOLINTNEXTLINE(google-runtime-references)
     155           0 :   void pup(PUP::er& p);
     156             : 
     157           0 :   bool is_identity() const { return is_identity_; }
     158             : 
     159           0 :   static constexpr bool supports_hessian{true};
     160             : 
     161             :  private:
     162           0 :   friend bool operator==(const Rotation<3>& lhs, const Rotation<3>& rhs);
     163             : 
     164           0 :   double rotation_about_z_{std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()};
     165           0 :   double rotation_about_rotated_y_{
     166             :       std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()};
     167           0 :   double rotation_about_rotated_z_{
     168             :       std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()};
     169           0 :   tnsr::ij<double, 3, Frame::Grid> rotation_matrix_{
     170             :       std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()};
     171           0 :   bool is_identity_{false};
     172             : };
     173             : 
     174           0 : bool operator!=(const Rotation<3>& lhs, const Rotation<3>& rhs);
     175             : 
     176             : }  // namespace CoordinateMaps
     177             : }  // namespace domain