Merge branch 'features/JAL-2393customMatrices' into develop
[jalview.git] / src / jalview / analysis / scoremodels / ScoreMatrix.java
diff --git a/src/jalview/analysis/scoremodels/ScoreMatrix.java b/src/jalview/analysis/scoremodels/ScoreMatrix.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..9bec6e4
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,585 @@
+/*
+ * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
+ * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
+ * 
+ * This file is part of Jalview.
+ * 
+ * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
+ * modify it under the terms of the GNU General Public License 
+ * as published by the Free Software Foundation, either version 3
+ * of the License, or (at your option) any later version.
+ *  
+ * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but 
+ * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty 
+ * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR 
+ * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
+ * 
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License
+ * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
+ * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
+ */
+package jalview.analysis.scoremodels;
+
+import jalview.api.analysis.PairwiseScoreModelI;
+import jalview.api.analysis.SimilarityParamsI;
+import jalview.datamodel.AlignmentView;
+import jalview.math.Matrix;
+import jalview.math.MatrixI;
+import jalview.util.Comparison;
+
+import java.util.Arrays;
+
+/**
+ * A class that models a substitution score matrix for any given alphabet of
+ * symbols. Instances of this class are immutable and thread-safe.
+ */
+public class ScoreMatrix extends SimilarityScoreModel implements
+        PairwiseScoreModelI
+{
+  private static final char GAP_CHARACTER = Comparison.GAP_DASH;
+
+  /*
+   * an arbitrary score to assign for identity of an unknown symbol
+   * (this is the value on the diagonal in the * column of the NCBI matrix)
+   * (though a case could be made for using the minimum diagonal value)
+   */
+  private static final int UNKNOWN_IDENTITY_SCORE = 1;
+
+  /*
+   * Jalview 2.10.1 treated gaps as X (peptide) or N (nucleotide)
+   * for pairwise scoring; 2.10.2 uses gap score (last column) in
+   * score matrix (JAL-2397)
+   * Set this flag to true (via Groovy) for 2.10.1 behaviour
+   */
+  private static boolean scoreGapAsAny = false;
+
+  public static final short UNMAPPED = (short) -1;
+
+  private static final String BAD_ASCII_ERROR = "Unexpected character %s in getPairwiseScore";
+
+  private static final int MAX_ASCII = 127;
+
+  /*
+   * the name of the model as shown in menus
+   * each score model in use should have a unique name
+   */
+  private String name;
+
+  /*
+   * a description for the model as shown in tooltips
+   */
+  private String description;
+
+  /*
+   * the characters that the model provides scores for
+   */
+  private char[] symbols;
+
+  /*
+   * the score matrix; both dimensions must equal the number of symbols
+   * matrix[i][j] is the substitution score for replacing symbols[i] with symbols[j]
+   */
+  private float[][] matrix;
+
+  /*
+   * quick lookup to convert from an ascii character value to the index
+   * of the corresponding symbol in the score matrix 
+   */
+  private short[] symbolIndex;
+
+  /*
+   * true for Protein Score matrix, false for dna score matrix
+   */
+  private boolean peptide;
+
+  private float minValue;
+
+  private float maxValue;
+  
+  /**
+   * Constructor given a name, symbol alphabet, and matrix of scores for pairs
+   * of symbols. The matrix should be square and of the same size as the
+   * alphabet, for example 20x20 for a 20 symbol alphabet.
+   * 
+   * @param theName
+   *          Unique, human readable name for the matrix
+   * @param alphabet
+   *          the symbols to which scores apply
+   * @param values
+   *          Pairwise scores indexed according to the symbol alphabet
+   */
+  public ScoreMatrix(String theName, char[] alphabet, float[][] values)
+  {
+    this(theName, null, alphabet, values);
+  }
+
+  /**
+   * Constructor given a name, description, symbol alphabet, and matrix of
+   * scores for pairs of symbols. The matrix should be square and of the same
+   * size as the alphabet, for example 20x20 for a 20 symbol alphabet.
+   * 
+   * @param theName
+   *          Unique, human readable name for the matrix
+   * @param theDescription
+   *          descriptive display name suitable for use in menus
+   * @param alphabet
+   *          the symbols to which scores apply
+   * @param values
+   *          Pairwise scores indexed according to the symbol alphabet
+   */
+  public ScoreMatrix(String theName, String theDescription,
+          char[] alphabet, float[][] values)
+  {
+    if (alphabet.length != values.length)
+    {
+      throw new IllegalArgumentException(
+              "score matrix size must match alphabet size");
+    }
+    for (float[] row : values)
+    {
+      if (row.length != alphabet.length)
+      {
+        throw new IllegalArgumentException(
+                "score matrix size must be square");
+      }
+    }
+
+    this.matrix = values;
+    this.name = theName;
+    this.description = theDescription;
+    this.symbols = alphabet;
+
+    symbolIndex = buildSymbolIndex(alphabet);
+
+    findMinMax();
+
+    /*
+     * crude heuristic for now...
+     */
+    peptide = alphabet.length >= 20;
+  }
+
+  /**
+   * Record the minimum and maximum score values
+   */
+  protected void findMinMax()
+  {
+    float min = Float.MAX_VALUE;
+    float max = -Float.MAX_VALUE;
+    if (matrix != null)
+    {
+      for (float[] row : matrix)
+      {
+        if (row != null)
+        {
+          for (float f : row)
+          {
+            min = Math.min(min, f);
+            max = Math.max(max, f);
+          }
+        }
+      }
+    }
+    minValue = min;
+    maxValue = max;
+  }
+
+  /**
+   * Returns an array A where A[i] is the position in the alphabet array of the
+   * character whose value is i. For example if the alphabet is { 'A', 'D', 'X'
+   * } then A['D'] = A[68] = 1.
+   * <p>
+   * Unmapped characters (not in the alphabet) get an index of -1.
+   * <p>
+   * Mappings are added automatically for lower case symbols (for non case
+   * sensitive scoring), unless they are explicitly present in the alphabet (are
+   * scored separately in the score matrix).
+   * <p>
+   * the gap character (space, dash or dot) included in the alphabet (if any) is
+   * recorded in a field
+   * 
+   * @param alphabet
+   * @return
+   */
+  short[] buildSymbolIndex(char[] alphabet)
+  {
+    short[] index = new short[MAX_ASCII + 1];
+    Arrays.fill(index, UNMAPPED);
+    short pos = 0;
+    for (char c : alphabet)
+    {
+      if (c <= MAX_ASCII)
+      {
+        index[c] = pos;
+      }
+
+      /*
+       * also map lower-case character (unless separately mapped)
+       */
+      if (c >= 'A' && c <= 'Z')
+      {
+        short lowerCase = (short) (c + ('a' - 'A'));
+        if (index[lowerCase] == UNMAPPED)
+        {
+          index[lowerCase] = pos;
+        }
+      }
+      pos++;
+    }
+    return index;
+  }
+
+  @Override
+  public String getName()
+  {
+    return name;
+  }
+
+  @Override
+  public String getDescription()
+  {
+    return description;
+  }
+
+  @Override
+  public boolean isDNA()
+  {
+    return !peptide;
+  }
+
+  @Override
+  public boolean isProtein()
+  {
+    return peptide;
+  }
+
+  /**
+   * Returns a copy of the score matrix as used in getPairwiseScore. If using
+   * this matrix directly, callers <em>must</em> also call
+   * <code>getMatrixIndex</code> in order to get the matrix index for each
+   * character (symbol).
+   * 
+   * @return
+   * @see #getMatrixIndex(char)
+   */
+  public float[][] getMatrix()
+  {
+    float[][] v = new float[matrix.length][matrix.length];
+    for (int i = 0; i < matrix.length; i++)
+    {
+      v[i] = Arrays.copyOf(matrix[i], matrix[i].length);
+    }
+    return v;
+  }
+
+  /**
+   * Answers the matrix index for a given character, or -1 if unmapped in the
+   * matrix. Use this method only if using <code>getMatrix</code> in order to
+   * compute scores directly (without symbol lookup) for efficiency.
+   * 
+   * @param c
+   * @return
+   * @see #getMatrix()
+   */
+  public int getMatrixIndex(char c)
+  {
+    if (c < symbolIndex.length)
+    {
+      return symbolIndex[c];
+    }
+    else
+    {
+      return UNMAPPED;
+    }
+  }
+
+  /**
+   * Returns the pairwise score for substituting c with d. If either c or d is
+   * an unexpected character, returns 1 for identity (c == d), else the minimum
+   * score value in the matrix.
+   */
+  @Override
+  public float getPairwiseScore(char c, char d)
+  {
+    if (c >= symbolIndex.length)
+    {
+      System.err.println(String.format(BAD_ASCII_ERROR, c));
+      return 0;
+    }
+    if (d >= symbolIndex.length)
+    {
+      System.err.println(String.format(BAD_ASCII_ERROR, d));
+      return 0;
+    }
+
+    int cIndex = symbolIndex[c];
+    int dIndex = symbolIndex[d];
+    if (cIndex != UNMAPPED && dIndex != UNMAPPED)
+    {
+      return matrix[cIndex][dIndex];
+    }
+
+    /*
+     * one or both symbols not found in the matrix
+     * currently scoring as 1 (for identity) or the minimum
+     * matrix score value (otherwise)
+     * (a case could be made for using minimum row/column value instead)
+     */
+    return c == d ? UNKNOWN_IDENTITY_SCORE : getMinimumScore();
+  }
+
+  /**
+   * pretty print the matrix
+   */
+  @Override
+  public String toString()
+  {
+    return outputMatrix(false);
+  }
+
+  /**
+   * Print the score matrix, optionally formatted as html, with the alphabet
+   * symbols as column headings and at the start of each row.
+   * <p>
+   * The non-html format should give an output which can be parsed as a score
+   * matrix file
+   * 
+   * @param html
+   * @return
+   */
+  public String outputMatrix(boolean html)
+  {
+    StringBuilder sb = new StringBuilder(512);
+
+    /*
+     * heading row with alphabet
+     */
+    if (html)
+    {
+      sb.append("<table border=\"1\">");
+      sb.append(html ? "<tr><th></th>" : "");
+    }
+    else
+    {
+      sb.append("ScoreMatrix ").append(getName()).append("\n");
+    }
+    for (char sym : symbols)
+    {
+      if (html)
+      {
+        sb.append("<th>&nbsp;").append(sym).append("&nbsp;</th>");
+      }
+      else
+      {
+        sb.append("\t").append(sym);
+      }
+    }
+    sb.append(html ? "</tr>\n" : "\n");
+
+    /*
+     * table of scores
+     */
+    for (char c1 : symbols)
+    {
+      if (html)
+      {
+        sb.append("<tr><td>");
+      }
+      sb.append(c1).append(html ? "</td>" : "");
+      for (char c2 : symbols)
+      {
+        sb.append(html ? "<td>" : "\t")
+                .append(matrix[symbolIndex[c1]][symbolIndex[c2]])
+                .append(html ? "</td>" : "");
+      }
+      sb.append(html ? "</tr>\n" : "\n");
+    }
+    if (html)
+    {
+      sb.append("</table>");
+    }
+    return sb.toString();
+  }
+
+  /**
+   * Answers the number of symbols coded for (also equal to the number of rows
+   * and columns of the score matrix)
+   * 
+   * @return
+   */
+  public int getSize()
+  {
+    return symbols.length;
+  }
+
+  /**
+   * Computes an NxN matrix where N is the number of sequences, and entry [i, j]
+   * is sequence[i] pairwise multiplied with sequence[j], as a sum of scores
+   * computed using the current score matrix. For example
+   * <ul>
+   * <li>Sequences:</li>
+   * <li>FKL</li>
+   * <li>R-D</li>
+   * <li>QIA</li>
+   * <li>GWC</li>
+   * <li>Score matrix is BLOSUM62</li>
+   * <li>Gaps treated same as X (unknown)</li>
+   * <li>product [0, 0] = F.F + K.K + L.L = 6 + 5 + 4 = 15</li>
+   * <li>product [1, 1] = R.R + -.- + D.D = 5 + -1 + 6 = 10</li>
+   * <li>product [2, 2] = Q.Q + I.I + A.A = 5 + 4 + 4 = 13</li>
+   * <li>product [3, 3] = G.G + W.W + C.C = 6 + 11 + 9 = 26</li>
+   * <li>product[0, 1] = F.R + K.- + L.D = -3 + -1 + -3 = -8
+   * <li>and so on</li>
+   * </ul>
+   * This method is thread-safe.
+   */
+  @Override
+  public MatrixI findSimilarities(AlignmentView seqstrings,
+          SimilarityParamsI options)
+  {
+    char gapChar = scoreGapAsAny ? (seqstrings.isNa() ? 'N' : 'X')
+            : GAP_CHARACTER;
+    String[] seqs = seqstrings.getSequenceStrings(gapChar);
+    return findSimilarities(seqs, options);
+  }
+
+  /**
+   * Computes pairwise similarities of a set of sequences using the given
+   * parameters
+   * 
+   * @param seqs
+   * @param params
+   * @return
+   */
+  protected MatrixI findSimilarities(String[] seqs, SimilarityParamsI params)
+  {
+    double[][] values = new double[seqs.length][];
+    for (int row = 0; row < seqs.length; row++)
+    {
+      values[row] = new double[seqs.length];
+      for (int col = 0; col < seqs.length; col++)
+      {
+        double total = computeSimilarity(seqs[row], seqs[col], params);
+        values[row][col] = total;
+      }
+    }
+    return new Matrix(values);
+  }
+
+  /**
+   * Calculates the pairwise similarity of two strings using the given
+   * calculation parameters
+   * 
+   * @param seq1
+   * @param seq2
+   * @param params
+   * @return
+   */
+  protected double computeSimilarity(String seq1, String seq2,
+          SimilarityParamsI params)
+  {
+    int len1 = seq1.length();
+    int len2 = seq2.length();
+    double total = 0;
+
+    int width = Math.max(len1, len2);
+    for (int i = 0; i < width; i++)
+    {
+      if (i >= len1 || i >= len2)
+      {
+        /*
+         * off the end of one sequence; stop if we are only matching
+         * on the shorter sequence length, else treat as trailing gap
+         */
+        if (params.denominateByShortestLength())
+        {
+          break;
+        }
+      }
+
+      char c1 = i >= len1 ? GAP_CHARACTER : seq1.charAt(i);
+      char c2 = i >= len2 ? GAP_CHARACTER : seq2.charAt(i);
+      boolean gap1 = Comparison.isGap(c1);
+      boolean gap2 = Comparison.isGap(c2);
+
+      if (gap1 && gap2)
+      {
+        /*
+         * gap-gap: include if options say so, else ignore
+         */
+        if (!params.includeGappedColumns())
+        {
+          continue;
+        }
+      }
+      else if (gap1 || gap2)
+      {
+        /*
+         * gap-residue: score if options say so
+         */
+        if (!params.includeGaps())
+        {
+          continue;
+        }
+      }
+      float score = getPairwiseScore(c1, c2);
+      total += score;
+    }
+    return total;
+  }
+
+  /**
+   * Answers a hashcode computed from the symbol alphabet and the matrix score
+   * values
+   */
+  @Override
+  public int hashCode()
+  {
+    int hs = Arrays.hashCode(symbols);
+    for (float[] row : matrix)
+    {
+      hs = hs * 31 + Arrays.hashCode(row);
+    }
+    return hs;
+  }
+
+  /**
+   * Answers true if the argument is a ScoreMatrix with the same symbol alphabet
+   * and score values, else false
+   */
+  @Override
+  public boolean equals(Object obj)
+  {
+    if (!(obj instanceof ScoreMatrix))
+    {
+      return false;
+    }
+    ScoreMatrix sm = (ScoreMatrix) obj;
+    if (Arrays.equals(symbols, sm.symbols)
+            && Arrays.deepEquals(matrix, sm.matrix))
+    {
+      return true;
+    }
+    return false;
+  }
+
+  /**
+   * Returns the alphabet the matrix scores for, as a string of characters
+   * 
+   * @return
+   */
+  String getSymbols()
+  {
+    return new String(symbols);
+  }
+
+  public float getMinimumScore()
+  {
+    return minValue;
+  }
+
+  public float getMaximumScore()
+  {
+    return maxValue;
+  }
+}