#!/usr/bin/perl -ws

our ($first,$h,$help);

if ($h or $help) {
  (my $program = $0) =~ s/^.*[\/\\]//;
  print "Align structures each to other.
Usage: $program [-first] file1.xyz file2.xyz > aligned_file.xyz
       cat *.xyz | $program > aligned_file.xyz
Dependencies: perl\n
*.xyz - concatenated xyz-files, usually from IRC.
These files should have consistent numbering of atoms.
Each structure is aligned to previous one or 
(with option -first) to the first one.
Step between aligned structures (in sqrt(amu)*angstrem) is added 
to aligned_file.xyz.
  \n";
  exit;
}

my @mols = read_molden();
for (my $i=1; $i<@mols; $i++) {
  my $step = get_rms($mols[$first ? 0 : $i-1],$mols[$i]);
  $mols[$i][0]{Step} = sprintf "%.3f", $step;
}
write_molden(@mols);

sub get_rms {
 ############################################################################
 ## Переделанная на перл coord.c Г.Сальникова
 ## Принимает две ссылки на геометрии (см. read_molden() из conformers)
 ## Возвращает RMSD между геометриями
 ## Во вторую ссылку записывает новую, сглаженную геометрию
 ## Использует глобальный хэш %massa с массами элементов (см. smooth)
 ############################################################################
  my ($mol0, $mol1) = @_;
  my ($i, $n, $rot);
  my (@m, @x0, @y0, @z0, @x1, @y1, @z1, $xc, $yc, $zc, $e, $e0,
    $mtot, $tg1, $tg2, $phi, $phix, $phiy, $phiz);
  my $M_PI = atan2(0,-1);
  my $FLT_EPSILON = 1e-12;
  my $DEBUG = 0;
  
  # Массы изотопов
  our %massa = qw(
  H  1.007947    He 4.0026022   Li 6.9412      Be 9.0121823   B  10.8117
  C  12.01078    N  14.00672    O  15.99943    F  18.99840325 Ne 20.17976
  Na 22.9897702  Mg 24.30506    Al 26.9815382  Si 28.08553    P  30.9737612
  S  32.0655     Cl 35.4532     Ar 39.9481     K  39.09831    Ca 40.0784
  Sc 44.9559108  Ti 47.8671     V  50.94151    Cr 51.99616    Mn 54.9380499
  Fe 55.8452     Co 58.9332009  Ni 58.69342    Cu 63.5463     Zn 65.4094
  Ga 69.7231     Ge 72.641      As 74.921602   Se 78.963      Br 79.9041
  Kr 83.7982     Rb 85.46783    Sr 87.621      Y  88.905852   Zr 91.2242
  Nb 92.906382   Mo 95.942      Ru 101.072     Rh 102.905502  Pd 106.421
  Ag 107.86822   Cd 112.4118    In 114.8183    Sn 118.7107    Sb 121.7601
  Te 127.603     I  126.904473  Xe 131.2936    Cs 132.905452  Ba 137.3277
  La 138.90552   Ce 140.1161    Pr 140.907652  Nd 144.243     Sm 150.363
  Eu 151.9641    Gd 157.253     Tb 158.925342  Dy 162.5001    Ho 164.930322
  Er 167.2593    Tm 168.934212  Yb 173.043     Lu 174.9671    Hf 178.492
  Ta 180.94791   W  183.841     Re 186.2071    Os 190.233     Ir 192.2173
  Pt 195.0782    Au 196.966552  Hg 200.592     Tl 204.38332   Pb 207.21
  Bi 208.980382  Th 232.03811   Pa 231.035882  U  238.028913
  );

  #/*** Input data preparation ***/
  $n = $#{$mol0};
  for ($i=0; $i<$n; $i++) {
    $m[$i] = $massa{$mol0->[$i+1][0]};
    die "Inconsistent data\n" if $massa{$mol1->[$i+1][0]} != $m[$i];
    $mtot += $m[$i];
    $x0[$i] = $mol0->[$i+1][1];
    $y0[$i] = $mol0->[$i+1][2];
    $z0[$i] = $mol0->[$i+1][3];
    $x1[$i] = $mol1->[$i+1][1];
    $y1[$i] = $mol1->[$i+1][2];
    $z1[$i] = $mol1->[$i+1][3];
  }
  
  #/*** 1-st translation to center of mass ***/

  $xc = $yc = $zc = 0;
  for ($i=0; $i<$n; $i++)
  {
    $xc += $m[$i]*$x0[$i];
    $yc += $m[$i]*$y0[$i];
    $zc += $m[$i]*$z0[$i];
  }
  $xc /= $mtot;
  $yc /= $mtot;
  $zc /= $mtot;

  for ($i=0; $i<$n; $i++)
  {
    $x0[$i] -= $xc;
    $y0[$i] -= $yc;
    $z0[$i] -= $zc;
  }

  if ($DEBUG) {
    printf ("1-st molecule in center of mass\n");
    for ($i=0; $i<$n; $i++) {
      printf "%2.0f   %10f   %10f   %10f\n", $m[$i], 
              $x0[$i], $y0[$i], $z0[$i];
    }
    printf "1-st center of mass translation on: (%10f, %10f, %10f)\n",
            -$xc, -$yc, -$zc;
  }

  #/*** 2-nd translation to center of mass ***/

  $xc = $yc = $zc = 0;
  for ($i=0; $i<$n; $i++)
  {
    $xc += $m[$i]*$x1[$i];
    $yc += $m[$i]*$y1[$i];
    $zc += $m[$i]*$z1[$i];
  }
  $xc /= $mtot;
  $yc /= $mtot;
  $zc /= $mtot;

  for ($i=0; $i<$n; $i++)
  {
    $x1[$i] -= $xc;
    $y1[$i] -= $yc;
    $z1[$i] -= $zc;
  }

  if ($DEBUG) {
    printf ("2-nd molecule in center of mass\n");
    for ($i=0; $i<$n; $i++) {
      printf "%2.0f   %10f   %10f   %10f\n", 
              $m[$i], $x1[$i], $y1[$i], $z1[$i];
    }
    printf "2-nd center of mass translation on: (%10f, %10f, %10f)\n",
            -$xc, -$yc, -$zc;
  }

  $e = 0;
  for ($i=0; $i<$n; $i++) {
    $e += $m[$i]*(($x1[$i]-$x0[$i])*($x1[$i]-$x0[$i])+
         ($y1[$i]-$y0[$i])*($y1[$i]-$y0[$i])+
         ($z1[$i]-$z0[$i])*($z1[$i]-$z0[$i]));
  }
  printf ("2*energy: %g\n", $e) if $DEBUG;

  for ($rot=1; ; $rot++)
  {
    $e0 = $e;

    #/*** Rotation around X ***/

    $tg1 = $tg2 = 0;
    for ($i=0; $i<$n; $i++)
    {
      $tg1 += $m[$i]*($y0[$i]*$z1[$i]-$z0[$i]*$y1[$i]);
      $tg2 += $m[$i]*($y0[$i]*$y1[$i]+$z0[$i]*$z1[$i]);
    }
    $phi = atan2 ($tg1, $tg2);

    for ($i=0; $i<$n; $i++)
    {
      $yc = $y1[$i]*cos($phi)+$z1[$i]*sin($phi);
      $zc = $z1[$i]*cos($phi)-$y1[$i]*sin($phi);
      $y1[$i] = $yc;
      $z1[$i] = $zc;
    }

    $e = 0;
    for ($i=0; $i<$n; $i++) {
      $e += $m[$i]*(($x1[$i]-$x0[$i])*($x1[$i]-$x0[$i])+
     ($y1[$i]-$y0[$i])*($y1[$i]-$y0[$i])+
     ($z1[$i]-$z0[$i])*($z1[$i]-$z0[$i]));
    }
    if ($DEBUG) {
      for ($i=0; $i<$n; $i++) {
        printf "%2.0f   %10f   %10f   %10f\n", 
                $m[$i], $x1[$i], $y1[$i], $z1[$i];
      }
      printf "after %d-th rotation around X on: %g (%g deg)\n2*energy: %g\n",
              $rot, $phi, $phi*180/$M_PI, $e;
    }

    $phix = $phi;

    #/*** Rotation around Y ***/

    $tg1 = $tg2 = 0;
    for ($i=0; $i<$n; $i++)
    {
      $tg1 += $m[$i]*($z0[$i]*$x1[$i]-$x0[$i]*$z1[$i]);
      $tg2 += $m[$i]*($z0[$i]*$z1[$i]+$x0[$i]*$x1[$i]);
    }
    $phi = atan2 ($tg1, $tg2);

    for ($i=0; $i<$n; $i++)
    {
      $xc = $x1[$i]*cos($phi)-$z1[$i]*sin($phi);
      $zc = $z1[$i]*cos($phi)+$x1[$i]*sin($phi);
      $x1[$i] = $xc;
      $z1[$i] = $zc;
    }

    $e = 0;
    for ($i=0; $i<$n; $i++) {
      $e += $m[$i]*(($x1[$i]-$x0[$i])*($x1[$i]-$x0[$i])+
     ($y1[$i]-$y0[$i])*($y1[$i]-$y0[$i])+
     ($z1[$i]-$z0[$i])*($z1[$i]-$z0[$i]));
    }
    if ($DEBUG) {
      for ($i=0; $i<$n; $i++) {
        printf "%2.0f   %10f   %10f   %10f\n", 
                $m[$i], $x1[$i], $y1[$i], $z1[$i];
      }
      printf "after %d-th rotation around Y on: %g (%g deg)\n2*energy: %g\n",
              $rot, $phi, $phi*180/$M_PI, $e;
    }

    $phiy = $phi;

    #/*** Rotation around Z ***/

    $tg1 = $tg2 = 0;
    for ($i=0; $i<$n; $i++)
    {
      $tg1 += $m[$i]*($x0[$i]*$y1[$i]-$y0[$i]*$x1[$i]);
      $tg2 += $m[$i]*($x0[$i]*$x1[$i]+$y0[$i]*$y1[$i]);
    }
    $phi = atan2 ($tg1, $tg2);

    for ($i=0; $i<$n; $i++)
    {
      $xc = $x1[$i]*cos($phi)+$y1[$i]*sin($phi);
      $yc = $y1[$i]*cos($phi)-$x1[$i]*sin($phi);
      $x1[$i] = $xc;
      $y1[$i] = $yc;
    }

    $e = 0;
    for ($i=0; $i<$n; $i++) {
      $e += $m[$i]*(($x1[$i]-$x0[$i])*($x1[$i]-$x0[$i])+
     ($y1[$i]-$y0[$i])*($y1[$i]-$y0[$i])+
     ($z1[$i]-$z0[$i])*($z1[$i]-$z0[$i]));
    }
    if ($DEBUG) {
      for ($i=0; $i<$n; $i++) {
        printf "%2.0f   %10f   %10f   %10f\n", 
               $m[$i], $x1[$i], $y1[$i], $z1[$i];
      }
      printf "after %d-th rotation around Z on: %g (%g deg)\n2*energy: %g\n",
        $rot, $phi, $phi*180/$M_PI, $e;
    }

    $phiz = $phi;

    #print "$phix $phiy $phiz\n";
    #print abs(($e-$e0)/($e+$e0)), "\n";
    #print "$e == $e0\n";
    last if (abs($phix) < $FLT_EPSILON &&
             abs($phiy) < $FLT_EPSILON &&
             abs($phiz) < $FLT_EPSILON &&
             ($e == $e0 || abs($e+$e0) < $FLT_EPSILON || (abs(($e-$e0)/($e+$e0)) < $FLT_EPSILON)));
  }

  #/*** Output data preparation ***/

  for ($i=0; $i<$n; $i++) {
    $mol1->[$i+1][1] = $x1[$i];
    $mol1->[$i+1][2] = $y1[$i];
    $mol1->[$i+1][3] = $z1[$i];
  }
  if ($DEBUG) {
    for ($i=0; $i<$n; $i++) {
      printf "%2.0f   %10f   %10f   %10f\n", $m[$i], $x1[$i], $y1[$i], $z1[$i];
    }
    printf "2*energy: %g\n", $e;
  }

  #/*** Finished ***/
  
  return sqrt($e);
#  return $e;
}

sub read_molden {
 ############################################################################
 ## Молекула -- ссылка на массив, 0-й элемент -- свойства, следующие - атомы.
 ## Свойства -- ссылка на хэш с ключами Energy, Symmetry
 ## Атом -- ссылка на массив [atom, x, y, z, ppm] (ppm может не быть).
 ##
 ## Читает xyz. Параметры - имена xyz-файлов. Если параметров нет, то <>.
 ## Возвращает массив найденных молекул.
 ############################################################################
  local @ARGV = @_ ? @_ : @ARGV;
  my $num = qr/-?\d+(?:\.\d+)?/;
  my @mols;
  my $line;
  LOOP:
  while ($line || defined($line = <>)) {
    #print $line;
    if ($line =~/^\s*(\d+)\s*$/) {
      my @mol;
      my $N = $1;
      last LOOP if eof();
      next LOOP if eof(ARGV);
      $line = <>;
      ($mol[0]{Energy}) = $line =~ /(?:^|)\s($num)(?:\s|$)/o;
      ($mol[0]{Symmetry}) = $line =~ /symm\S*\s+(\S+)/i;
      for (my $i=1; $i<=$N; $i++) {
        last LOOP if eof();
        next LOOP if eof(ARGV);
        $line = <>;
        #print $line;
        if ($line =~ /^\s*([A-Z]{1,2})\s+($num)\s+($num)\s+($num)\s*(.*)/io) {
          $mol[$i] = [$1,$2,$3,$4,$5];
        } else {
          next LOOP;
        }
      }
      push @mols, \@mol;
      last LOOP if eof();
    } else {
      undef $line;
    }
  }
  return @mols;
}

sub write_molden {
  foreach my $mol (@_) {;
    my $N = $#{$mol};
    print " $N\n";
    print " Energy $mol->[0]{Energy}" if $mol->[0]{Energy};
    print "  Point $mol->[0]{Point}" if $mol->[0]{Point};
    print "  Symmetry $mol->[0]{Symmetry}" if $mol->[0]{Symmetry};
    print "  Ellips $mol->[0]{Ellips}" if $mol->[0]{Ellips};
    print "  Step $mol->[0]{Step}" if $mol->[0]{Step};
    print "\n";
    for (my $i=1; $i<=$N; $i++) {
      printf " %-2s %12.8f %12.8f %12.8f\n", @{$mol->[$i]};
    }
  }
}