Centre Blaise Pascal » Bench4GPU

/*

        Programme original realise en Fortran 77 en mars 1994

        pour les Travaux Pratiques de Modelisation Numerique

        DEA d'astrophysique et techniques spatiales de Meudon

                par Herve Aussel et Emmanuel Quemener

        Conversion en C par Emmanuel Quemener en aout 1997

        Modification par Emmanuel Quemener en aout 2019

        Remerciements a :

        - Herve Aussel pour sa procedure sur le spectre de corps noir

        - Didier Pelat pour l'aide lors de ce travail

        - Jean-Pierre Luminet pour son article de 1979

        - Le Numerical Recipies pour ses recettes de calcul

        - Luc Blanchet pour sa disponibilite lors de mes interrogations en RG

        Compilation sous gcc ( Compilateur GNU sous Linux ) :

                gcc -O2 -o trou_noir trou_noir.c -lm

*/ 

#include <stdio.h>

#include <math.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <sys/time.h>

#define nbr 256 /* Nombre de colonnes du spectre */

#define PI 3.14159265359

#define TRACKPOINTS 2048

#if TYPE == FP32

#define MYFLOAT float

#else

#define MYFLOAT double

#endif

MYFLOAT atanp(MYFLOAT x,MYFLOAT y)

{

  MYFLOAT angle;

  angle=atan2(y,x);

  if (angle<0)

    {

      angle+=2*PI;

    }

  return angle;

}

MYFLOAT f(MYFLOAT v)

{

  return v;

}

MYFLOAT g(MYFLOAT u,MYFLOAT m,MYFLOAT b)

{

  return (3.*m/b*pow(u,2)-u);

}

void calcul(MYFLOAT *us,MYFLOAT *vs,MYFLOAT up,MYFLOAT vp,

            MYFLOAT h,MYFLOAT m,MYFLOAT b)

{

  MYFLOAT c[4],d[4];

  c[0]=h*f(vp);

  c[1]=h*f(vp+c[0]/2.);

  c[2]=h*f(vp+c[1]/2.);

  c[3]=h*f(vp+c[2]);

  d[0]=h*g(up,m,b);

  d[1]=h*g(up+d[0]/2.,m,b);

  d[2]=h*g(up+d[1]/2.,m,b);

  d[3]=h*g(up+d[2],m,b);

  *us=up+(c[0]+2.*c[1]+2.*c[2]+c[3])/6.;

  *vs=vp+(d[0]+2.*d[1]+2.*d[2]+d[3])/6.;

}

void rungekutta(MYFLOAT *ps,MYFLOAT *us,MYFLOAT *vs,

                MYFLOAT pp,MYFLOAT up,MYFLOAT vp,

                MYFLOAT h,MYFLOAT m,MYFLOAT b)

{

  calcul(us,vs,up,vp,h,m,b);

  *ps=pp+h;

}

MYFLOAT decalage_spectral(MYFLOAT r,MYFLOAT b,MYFLOAT phi,

                         MYFLOAT tho,MYFLOAT m)

{

  return (sqrt(1-3*m/r)/(1+sqrt(m/pow(r,3))*b*sin(tho)*sin(phi)));

}

MYFLOAT spectre(MYFLOAT rf,MYFLOAT q,MYFLOAT b,MYFLOAT db,

             MYFLOAT h,MYFLOAT r,MYFLOAT m,MYFLOAT bss)

{

  MYFLOAT flx;

  int fi;

  fi=(int)(rf*nbr/bss);

  flx=exp(q*log(r/m))*pow(rf,4)*b*db*h;

  return(flx);

}

MYFLOAT spectre_cn(MYFLOAT rf,MYFLOAT b,MYFLOAT db,

                MYFLOAT h,MYFLOAT r,MYFLOAT m,MYFLOAT bss)

{

  MYFLOAT flx;

  MYFLOAT nu_rec,nu_em,qu,temp_em,flux_int;

  int fi,posfreq;

#define  planck 6.62e-34

#define k 1.38e-23

#define c2 9.e16

#define temp 3.e7

#define m_point 1.

  MYFLOAT v=1.-3./r;

  qu=1./sqrt((1.-3./r)*r)*(sqrt(r)-sqrt(6.)+sqrt(3.)/2.*log((sqrt(r)+sqrt(3.))/(sqrt(r)-sqrt(3.))* 0.17157287525380988 ));

  temp_em=temp*sqrt(m)*exp(0.25*log(m_point)-0.75*log(r)-0.125*log(v)+0.25*log(fabs(qu)));

  flux_int=0;

  flx=0;

  for (fi=0;fi<nbr;fi++)

    {

      nu_em=bss*fi/(MYFLOAT)nbr;

      nu_rec=nu_em*rf; 

      posfreq=(int)(nu_rec*(MYFLOAT)nbr/bss);

      if ((posfreq>0)&&(posfreq<nbr))

        {

          flux_int=2.*planck/c2*pow(nu_em,3)/(exp(planck*nu_em/(k*temp_em))-1.);

          flux_int*=pow(rf,3)*b*db*h;

          flx+=flux_int;

        }

    }

  return((MYFLOAT)flx);

}

void impact(MYFLOAT d,MYFLOAT phi,int dim,MYFLOAT r,MYFLOAT b,MYFLOAT tho,MYFLOAT m,

            MYFLOAT **zp,MYFLOAT **fp,

            MYFLOAT q,MYFLOAT db,

            MYFLOAT h,MYFLOAT bss,int raie)

{

  MYFLOAT xe,ye;

  int xi,yi;

  MYFLOAT flx,rf;

  xe=d*sin(phi);

  ye=-d*cos(phi);

  xi=(int)xe+dim/2;

  yi=(int)ye+dim/2;

  rf=decalage_spectral(r,b,phi,tho,m);

  if (raie==0)

    {

      flx=spectre_cn(rf,b,db,h,r,m,bss);

    }

  else

    {

      flx=spectre(rf,q,b,db,h,r,m,bss);

    }

  if (zp[xi][yi]==0.)

    {

      zp[xi][yi]=1./rf;

    }

  if (fp[xi][yi]==0.)

    {

      fp[xi][yi]=flx;

    }

}

void sauvegarde_pgm(char nom[24],unsigned int **image,int dim)

{

  FILE            *sortie;

  unsigned long   i,j;

  sortie=fopen(nom,"w");

  fprintf(sortie,"P5\n");

  fprintf(sortie,"%i %i\n",dim,dim);

  fprintf(sortie,"255\n");

  for (j=0;j<dim;j++) for (i=0;i<dim;i++)

    {

      fputc(image[i][j],sortie);

    }

  fclose(sortie);

}

int main(int argc,char *argv[])

{

  MYFLOAT m,rs,ri,re,tho,ro;

  int q;

  MYFLOAT bss,stp;

  int nmx,dim;

  MYFLOAT d,bmx,db,b,h;

  MYFLOAT up,vp,pp;

  MYFLOAT us,vs,ps;

  MYFLOAT rp[TRACKPOINTS];

  MYFLOAT **zp,**fp;

  unsigned int **izp,**ifp;

  MYFLOAT zmx,fmx,zen,fen;

  MYFLOAT flux_tot,impc_tot;

  MYFLOAT phi,thi,thx,phd,php,nr,r;

  int ni,ii,i,imx,j,n,tst,dist,raie,pc,fcl,zcl;

  MYFLOAT nh;

  if (argc==2)

    {

      if (strcmp(argv[1],"-aide")==0)

        {

          printf("\nSimulation d'un disque d'accretion autour d'un trou noir\n");

          printf("\nParametres a definir :\n\n");

          printf("   1) Dimension de l'Image\n");

          printf("   2) Masse relative du trou noir\n");

          printf("   3) Dimension du disque exterieur\n");

          printf("   4) Distance de l'observateur\n");

          printf("   5) Inclinaison par rapport au disque (en degres)\n");

          printf("   6) Observation a distance FINIE ou INFINIE\n");

          printf("   7) Rayonnement de disque MONOCHROMATIQUE ou CORPS_NOIR\n");

          printf("   8) Normalisation des flux INTERNE ou EXTERNE\n");

          printf("   9) Normalisation de z INTERNE ou EXTERNE\n"); 

          printf("  10) Impression des images NEGATIVE ou POSITIVE\n"); 

          printf("  11) Nom de l'image des Flux\n");

          printf("  12) Nom de l'image des decalages spectraux\n");

          printf("  13) Valeur de normalisation des flux\n");

          printf("  14) Valeur de normalisation des decalages spectraux\n");

          printf("\nSi aucun parametre defini, parametres par defaut :\n\n");

          printf("   1) Dimension de l'image : 1024 pixels de cote\n");

          printf("   2) Masse relative du trou noir : 1\n");

          printf("   3) Dimension du disque exterieur : 12 \n");

          printf("   4) Distance de l'observateur : 100 \n");

          printf("   5) Inclinaison par rapport au disque (en degres) : 10\n");

          printf("   6) Observation a distance FINIE\n");

          printf("   7) Rayonnement de disque CORPS_NOIR\n");

          printf("   8) Normalisation des flux INTERNE\n");

          printf("   9) Normalisation des z INTERNE\n");

          printf("  10) Impression des images NEGATIVE ou POSITIVE\n"); 

                 printf("  11) Nom de l'image des flux : flux.pgm\n");

          printf("  12) Nom de l'image des z : z.pgm\n");

          printf("  13) <non definie>\n");

          printf("  14) <non definie>\n");

        }

    }

  if ((argc==13)||(argc==15))

    {

      printf("# Utilisation les valeurs definies par l'utilisateur\n");

      dim=atoi(argv[1]);

      m=atof(argv[2]);

      re=atof(argv[3]);

      ro=atof(argv[4]);

      tho=PI/180.*(90-atof(argv[5]));

      rs=2.*m;

      ri=3.*rs;

      if (strcmp(argv[6],"FINIE")==0)

        {

          dist=0;

        }

      else

        {

          dist=1;

        }

      if (strcmp(argv[7],"CORPS_NOIR")==0)

        {

          raie=0;

        }

      else

        {

          raie=1;

        }

      if (strcmp(argv[8],"EXTERNE")==0)

        {

          fen=atof(argv[14]);

        }

      if (strcmp(argv[9],"EXTERNE")==0)

        {

          zen=atof(argv[15]);

        }

    }

  else

    {

      printf("# Utilisation les valeurs par defaut\n");

      dim=1024;

      m=1.;

      rs=2.*m;

      ri=3.*rs;

      re=12.;

      ro=100.;

      tho=PI/180.*80;

      // Distance finie

      dist=0;

      // Corps noir

      raie=0;

    }

  if (raie==1)

    {

      bss=2.;

      q=-2;

    }

  else

    {

      bss=1e19;

      q=-0.75;

    }

      printf("# Dimension de l'image : %i\n",dim);

      printf("# Masse : %f\n",m);

      printf("# Rayon singularite : %f\n",rs);

      printf("# Rayon interne : %f\n",ri);

      printf("# Rayon externe : %f\n",re);

      printf("# Distance de l'observateur : %f\n",ro);

      printf("# Inclinaison a la normale en radian : %f\n",tho);

  zp=(MYFLOAT**)calloc(dim,sizeof(MYFLOAT*));

  zp[0]=(MYFLOAT*)calloc(dim*dim,sizeof(MYFLOAT));

  fp=(MYFLOAT**)calloc(dim,sizeof(MYFLOAT*));

  fp[0]=(MYFLOAT*)calloc(dim*dim,sizeof(MYFLOAT));

  izp=(unsigned int**)calloc(dim,sizeof(unsigned int*));

  izp[0]=(unsigned int*)calloc(dim*dim,sizeof(unsigned int));

  ifp=(unsigned int**)calloc(dim,sizeof(unsigned int*));

  ifp[0]=(unsigned int*)calloc(dim*dim,sizeof(unsigned int));

  for (i=1;i<dim;i++)

    {

      zp[i]=zp[i-1]+dim;

      fp[i]=fp[i-1]+dim;

      izp[i]=izp[i-1]+dim;

      ifp[i]=ifp[i-1]+dim;

    }

  nmx=dim;

  stp=dim/(2.*nmx);

  bmx=1.25*re;

  b=0.;

  thx=asin(bmx/ro);

  pc=0;

  struct timeval tv1,tv2;

  struct timezone tz;

  // Set start timer

  gettimeofday(&tv1, &tz);

  for (n=1;n<=nmx;n++)

    {     

      h=4.*PI/(MYFLOAT)TRACKPOINTS;

      d=stp*n;

      if (dist==1)

        {

          db=bmx/(MYFLOAT)nmx;

          b=db*(MYFLOAT)n;

          up=0.;

          vp=1.;

        }

      else

        {

          thi=thx/(MYFLOAT)nmx*(MYFLOAT)n;

          db=ro*sin(thi)-b;

          b=ro*sin(thi);

          up=sin(thi);

          vp=cos(thi);

        }

      pp=0.;

      nh=1;

      rungekutta(&ps,&us,&vs,pp,up,vp,h,m,b);

      rp[(int)nh]=fabs(b/us);

      do

        {

          nh++;

          pp=ps;

          up=us;

          vp=vs;

          rungekutta(&ps,&us,&vs,pp,up,vp,h,m,b);

          rp[(int)nh]=b/us;

        } while ((rp[(int)nh]>=rs)&&(rp[(int)nh]<=rp[1]));

      for (i=nh+1;i<TRACKPOINTS;i++)

        {

          rp[i]=0.; 

        }

      imx=(int)(8*d);

      for (i=0;i<=imx;i++)

        {

          phi=2.*PI/(MYFLOAT)imx*(MYFLOAT)i;

          phd=atanp(cos(phi)*sin(tho),cos(tho));

          phd=fmod(phd,PI);

          ii=0;

          tst=0;

          do

            {

              php=phd+(MYFLOAT)ii*PI;

              nr=php/h;

              ni=(int)nr;

              if ((MYFLOAT)ni<nh)

                {

                  r=(rp[ni+1]-rp[ni])*(nr-ni*1.)+rp[ni];

                }

              else

                {

                  r=rp[ni];

                }

              if ((r<=re)&&(r>=ri))

                {

                  tst=1;

                  impact(d,phi,dim,r,b,tho,m,zp,fp,q,db,h,bss,raie);

                }

              ii++;

            } while ((ii<=2)&&(tst==0));

        }

    }

  // Set stop timer

  gettimeofday(&tv2, &tz);

  double elapsed=(double)((tv2.tv_sec-tv1.tv_sec) * 1000000L +

                          (tv2.tv_usec-tv1.tv_usec))/1000000;  

  fmx=fp[0][0];

  zmx=zp[0][0];

  for (i=0;i<dim;i++) for (j=0;j<dim;j++)

    {

      if (fmx<fp[i][j])

        {

          fmx=fp[i][j];

        }

      if (zmx<zp[i][j])

        {

          zmx=zp[i][j];

        }

    }

  printf("\nElapsed Time : %lf",(double)elapsed);

  printf("\nFlux max : %f",fmx);

  printf("\nZ max : %f\n\n",zmx);

  if (strcmp(argv[8],"EXTERNE")==0)

    {

      fmx=fen;

    }

  if (strcmp(argv[9],"EXTERNE")==0)

    {  

      zmx=zen;

    }

  for (i=0;i<dim;i++) for (j=0;j<dim;j++)

    {

      zcl=(int)(255/zmx*zp[i][dim-1-j]);

      fcl=(int)(255/fmx*fp[i][dim-1-j]);

      if (strcmp(argv[8],"NEGATIVE")==0)

        {

          if (zcl>255)

            {

              izp[i][j]=0;

            }

          else

            {

              izp[i][j]=255-zcl;

            }

          if (fcl>255)

            {

              ifp[i][j]=0;

            }

          else

            {

              ifp[i][j]=255-fcl;

            } 

        }

      else

        {

          if (zcl>255)

            {

              izp[i][j]=255;

            }

          else

            {

              izp[i][j]=zcl;

            }

          if (fcl>255)

            {

              ifp[i][j]=255;

            }

          else

            {

              ifp[i][j]=fcl;

            } 

        }

    }

  if ((argc==14)||(argc==16))

   {

     sauvegarde_pgm(argv[11],ifp,dim);

     sauvegarde_pgm(argv[12],izp,dim);

   }

  else

    {

      sauvegarde_pgm("z.pgm",izp,dim);

      sauvegarde_pgm("flux.pgm",ifp,dim);

    }

  free(zp[0]);

  free(zp);

  free(fp[0]);

  free(fp);

  free(izp[0]);

  free(izp);

  free(ifp[0]);

  free(ifp);

}