软件影响12（2022）100264原始软件出版物迭代旋转和迭代（IRA）：一种原子结构的形状匹配算法Miha Gundea，b，Nina，Nicolas Sallesb，Anne Hémerycka，Layla Martin-SamosbaLAAS-CNRS，Université de Toulouse，CNRS，7 avenue du Colonel Roche，31031 Toulouse，FrancebCNR-IOM，Democritos National Simulation Center，Istituto Museina dei Materiali，c/o SISSA，via Bonomea 265，IT-34136，Trieste，Italy自动清洁装置保留字：形状匹配结构叠加线性分配问题模式识别非格子动力学蒙特卡罗A B标准IRA是一个Fortran库，它解决了原子结构的形状匹配问题，存储为代表原子位置的点集。在精确和近似全等的情况下，IRA提供了结构之间的最佳刚性变换，由原子分配，旋转/反射矩阵和平移向量给出。IRA还能够对包含不相等数量的原子的结构进行操作，即将结构与其任何片段进行匹配。任何需要解决形状匹配问题的应用程序都可以从IRA中受益代码元数据当前代码版本v1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2022-5可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/1161768/tree/v1双重许可证：GNU通用公共许可证v3.0和Apache 2.0。使用git的代码版本控制系统使用Fortran的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Fortran编译器、lapack库链接到开发人员文档/手册https://github.com/mammasmias/IterativeRotationsAssignments/blob/master/IRA/README.md技术支持邮箱miha. gmail.com1. 介绍形状匹配问题在计算机视觉领域中是众所周知的，其中它通常被称为点集正则化问题[1，2]。当应用于原子结构时，它有时被称为对齐问题[3，4]，结构叠加[5，6]或类似问题。迭代旋转和迭代（IRA）算法已被开发[7，8]，以解决形状匹配问题，特别是在原子尺度的材料建模领域的应用。该问题可以被描述为找到两个结构之间的刚性变换，使得两个结构在彼此重叠我们的IRA算法准确有效地解决了两个通用原子结构之间的形状匹配问题，包括不同原子数的结构。该解以旋转矩阵、平移向量和置换矩阵的形式给出。该算法在匹配成功率方面的性能，以及对其他两个软件的基准测试，见参考文献。[7、8]。代码的开发存储库可在github.com/mammasmias/IterativeRotationsAssignments上访问。2. 问题陈述一般来说，形状匹配问题可以表述如下。当两个结构A和A通过保持距离的变换相关联本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。*通讯作者：LAAS-CNRS，Université de Toulouse，CNRS，7 avenue du Colonel Roche，31031 Toulouse，France。电子邮件地址：miha. gmail.com（M.Gunde），nsalles33@gmail.com（N. Salles），anne. laas.fr（A. Hémeryck），marsamos@iom.cnr.it（L.Martin-Samos）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100264接收日期：2022年1月19日;接受日期：2022年2665-9638/©2022作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsM. Gunde，N.Salles，A.Hémeryck等人软件影响12（2022）1002642R，例如刚性旋转、反射、平移和不可区分点（原子）的排列。同余关系可以写为：=RA+R（1）其中R是旋转/反射矩阵，R是平移向量，并且R是置换。问题是要找到对应于R，R，和A的最佳匹配的变换。这可以通过优化两个结构之间的距离来实现，该距离在R和R上变化，并且在以下方面不变：argmin（（RA+，））。（二）我们开发的方法（见参考文献）[7，8]）返回近似的旋转/反射和平移，R。��������� ������������满足Eq.然后通过对结构A′和A′应用标准奇异值分解（SVD）[9]（其中A′ = RA + A������������，且A′ =.），发现（1）作为对R和R的小修正。 只有当结构A和A不完全一致，但表现出一些小的失真时，才需要这种校正。为了计算最优排列，即解决线性分配问题，我们开发了一种称为约束最短距离分配的算法。来自CShDA的原子分配用于计算Hausdorff距离作为等式中的距离函数（二）、通过对CShDA算法施加一对一的分配约束，利用Hausdorff距离的非交换性，将IRA算法推广到包含不同原子数的结构.更多的细节可以在参考文献中找到[7、8]。3. 软件设计和功能实现我们的IRA算法的软件被编写为Fortran例程的集合，收集并编译成一个库。因此，调用IRA例程的应用程序可以通过简单地静态链接库来编译。输入的原子结构被保存为带有intent（in）属性的数量，因此IRA例程永远不会全局修改。低级例程是cshda例程，它计算原子分配，并限制Hausdorff距离的计算。它是从一个更高级别的例程get_gamma_m调用的，该例程在旋转的离散空间上执行搜索，并返回近似的旋转R_gamma_m和平移R_gamma_m。 设置和对这个例程的主调用被封装在驱动例程ira_equal和ira_nonequal中，分别用于相等和不相等原子数的情况。驱动程序的输入参数是两个原子结构A和，它们的输出是以下量：3× 3旋转矩阵R，3维平移向量���R，以及整数数组形式的置换SVD旋转在svdrot_m例程中，并返回最佳R和 ，对应于Eq. （一）.当结构包含相同或不同数量的原子时，区别在于原点或中心原子的选择。在原子数相等的情况下，原点默认被选为每个结构的几何中心。这种选择可以通过选择两种结构的任何公共点来修改，例如任何已知的公共原子。对于自定义选择，必须修改驱动程序例程ira_equal。在原子数不同的情况下，原点是从结构A中任意选择的中心原子。然后在所有候选原点或中心原子上执行对结构的搜索 类似于相同原子数的情况，结构A的原点可以在驱动程序例程ira_nonequal中进行修改。如参考文献中所述。[7，8]，算法的速度和精度在这种情况下可以通过减少候选中心原子的集合，结构，这可以通过基于一些附加标准选择A的中心原子来完成该附加标准是对结构进行的预处理的主题，其可以简单地基于根据化学类型（选择结构中存在最少的类型的原子），或者可以更多地参与（找到直接局部环境等效的原子4. 影响概述IRA算法提供了一种可靠而有效的求解方法，对于全等和近似全等结构，包括具有不同原子数的结构，解决形状匹配问题。任何需要解决形状匹配问题的应用程序都可以从IRA整体或其任何部分中受益5. 限制该库的实现目前是串行的。因此，具有数百个原子的结构的匹配可能成为一个重要的计算瓶颈。当结构远离全等时，从我们的方法返回的变换和距离是不明确的。因此，不建议使用IRA来定义6. 未来应用在我们对未来工作的设想中，有一些IRA的应用。最直接的应用程序已经在开发和实施（见参考文献[8]），这是应用程序的IRA在一般的非晶格动力学蒙特卡罗（kMC），并在一个独特的结构目录特别地，kMC算法生成随机但统计上正确的事件序列，其中每个事件具有一定的概率。因此，kMC的单个步骤包括选择一组可能事件中的单个事件。 当将kMC算法应用于原子尺度的现象模拟时，事件表示原子结构的变化，并且可能事件的集合由事件的目录给出。 目录中的每个事件都由两个结构定义，事件之前的结构和事件之后的结构。系统的模拟预计将包含结构，是本地等价的（确切的，或近全等）的结构中的事件目录。然而，它们的相对取向、平移和原子的排列通常是未知的，但对于正确执行所选事件是必需的。这是我们的IRA形状匹配算法开始行动的问题。由于它已被证明是一个完全可靠的算法，在寻找正确的刚性变换的情况下，正是- 和近全等结构[7，8]，它是kMC内所描述情况在这种情况下，IRA给出的形状匹配的解决方案这种转换使得在我们的仿真系统中正确地执行由kMC算法选择的事件成为可能。此外，由于IRA不对结构进行任何这两种结构，kMC模拟变得不受这些假设的限制，并且可以推广到任何类型的结构：体、表面、界面、晶界、单缺陷、复合缺陷、扩展和非球形结构以及非晶相。此外，kMC所依赖的事件目录是在IRA的帮助下生成的。更具体地说，一个单独的应用程序将扫描事件的输入结构，并提取参与事件的最重要和最相关的原子。然后，艾拉用于确定具有等效结构的事件是否M. Gunde，N.Salles，A.Hémeryck等人软件影响12（2022）1002643已经存在于目录中，如果没有，则将当前事件添加到目录。同时，IRA的修改版本可以用来确定同一事件可能的不同执行方向，这意味着找到局部结构的所有唯一对称变换（参见参考文献[8]）。这种方法减少了事件目录中所需的结构的数量，因为相同事件的不同方向被存储在单个事件条目中，而不是每个方向是单独的条目。CRediT作者贡献声明Miha Gunde：方法论，软件，调查，写作-原始草稿 . NicolasSalles：方法论，软件，写作Anne Hémeryck：概念化，写作LaylaMartin-Samos：概念化，方法学，写作竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者是应用科学联盟材料多尺度和多模型方法（MAMMASMIAS）联合体），并承认联合体在促进科学合作方面所作的努力这项工作的部分资金来自欧盟引用[1]B. Maiseli，Y. Gu，H. Gao，J. Vis. Commun.图像代表。46（2017）95https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1047320317300743[2] P. Besl，N.D. McKay，IEEE Trans. Pattern Anal.马赫内特尔14（2）（1992）239http://dx.doi.org/10.1109/34.121791[3] A.J. Hanson，Acta Crystallogr. A节76（4）（2020）432http://dx.doi.org/[4] M. Griffiths，S.P. Niblett，D.J. Wales，J. Chem. Theory Comput. 13（10）（2017）4914http://dx.doi.org/10.1021/acs.jctc.7b00543[5]G.R. Kneller，J.Chem. Phys. 128（19）（2008）194101，http://dx.doi.org/10.1063/1.2902290。[6]B. Helmich，M.Sierka，J. Comput.33（2）（2012）134//onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jcc.21925网站。[7]M. Gunde，N. Salles，A. 埃默里克湖 Martin-Samos，J. Chem. Inf. Model. 61（11）（2021）5446http://dx.doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00567[8]M. Gunde，IRA的发展：形状匹配算法，其实现，和实用程序在一个一般的非格kMC内核，（博士。thesis），2021，URLhttp：//thesesups.ups-tlse.fr/5109网站。[9]K.S. T.S.阿伦黄先生Blostein，IEEE Trans. Pattern Anal.马赫内特尔PAMI-9（5）（1987）698http://dx.doi.org/10.1109/TPAMI.1987.4767965
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