66420b048d93cf18162b6306bb4e3c3d8d269465
[jalview.git] / src / jalview / ext / rbvi / chimera / JalviewChimeraBinding.java
1 /*
2  * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
3  * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
4  * 
5  * This file is part of Jalview.
6  * 
7  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU General Public License 
9  * as published by the Free Software Foundation, either version 3
10  * of the License, or (at your option) any later version.
11  *  
12  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but 
13  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty 
14  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR 
15  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
16  * 
17  * You should have received a copy of the GNU General Public License
18  * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19  * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
20  */
21 package jalview.ext.rbvi.chimera;
22
23 import java.io.File;
24 import java.io.FileOutputStream;
25 import java.io.IOException;
26 import java.io.PrintWriter;
27 import java.net.BindException;
28 import java.util.ArrayList;
29 import java.util.Collections;
30 import java.util.LinkedHashMap;
31 import java.util.List;
32 import java.util.Map;
33
34 import ext.edu.ucsf.rbvi.strucviz2.ChimeraManager;
35 import ext.edu.ucsf.rbvi.strucviz2.ChimeraModel;
36 import ext.edu.ucsf.rbvi.strucviz2.StructureManager;
37 import ext.edu.ucsf.rbvi.strucviz2.StructureManager.ModelType;
38 import jalview.api.AlignmentViewPanel;
39 import jalview.bin.Cache;
40 import jalview.datamodel.PDBEntry;
41 import jalview.datamodel.SearchResultMatchI;
42 import jalview.datamodel.SearchResultsI;
43 import jalview.datamodel.SequenceFeature;
44 import jalview.datamodel.SequenceI;
45 import jalview.gui.StructureViewer.ViewerType;
46 import jalview.httpserver.AbstractRequestHandler;
47 import jalview.io.DataSourceType;
48 import jalview.structure.AtomSpec;
49 import jalview.structure.AtomSpecModel;
50 import jalview.structure.StructureCommand;
51 import jalview.structure.StructureCommandI;
52 import jalview.structure.StructureSelectionManager;
53 import jalview.structures.models.AAStructureBindingModel;
54
55 public abstract class JalviewChimeraBinding extends AAStructureBindingModel
56 {
57   public static final String CHIMERA_SESSION_EXTENSION = ".py";
58
59   public static final String CHIMERA_FEATURE_GROUP = "Chimera";
60
61   /*
62    * Object through which we talk to Chimera
63    */
64   private ChimeraManager chimeraManager;
65
66   /*
67    * Object which listens to Chimera notifications
68    */
69   private AbstractRequestHandler chimeraListener;
70
71   /*
72    * Map of ChimeraModel objects keyed by PDB full local file name
73    */
74   protected Map<String, List<ChimeraModel>> chimeraMaps = new LinkedHashMap<>();
75
76   String lastHighlightCommand;
77
78   /**
79    * Returns a model of the structure positions described by the Chimera format atomspec
80    * @param atomSpec
81    * @return
82    */
83   protected  AtomSpec parseAtomSpec(String atomSpec)
84   {
85     return AtomSpec.fromChimeraAtomspec(atomSpec);
86   }
87
88   /**
89    * Open a PDB structure file in Chimera and set up mappings from Jalview.
90    * 
91    * We check if the PDB model id is already loaded in Chimera, if so don't reopen
92    * it. This is the case if Chimera has opened a saved session file.
93    * 
94    * @param pe
95    * @return
96    */
97   public boolean openFile(PDBEntry pe)
98   {
99     String file = pe.getFile();
100     try
101     {
102       List<ChimeraModel> modelsToMap = new ArrayList<>();
103       List<ChimeraModel> oldList = chimeraManager.getModelList();
104       boolean alreadyOpen = false;
105
106       /*
107        * If Chimera already has this model, don't reopen it, but do remap it.
108        */
109       for (ChimeraModel open : oldList)
110       {
111         if (open.getModelName().equals(pe.getId()))
112         {
113           alreadyOpen = true;
114           modelsToMap.add(open);
115         }
116       }
117
118       /*
119        * If Chimera doesn't yet have this model, ask it to open it, and retrieve
120        * the model name(s) added by Chimera.
121        */
122       if (!alreadyOpen)
123       {
124         chimeraManager.openModel(file, pe.getId(), ModelType.PDB_MODEL);
125         addChimeraModel(pe, modelsToMap);
126       }
127
128       chimeraMaps.put(file, modelsToMap);
129
130       if (getSsm() != null)
131       {
132         getSsm().addStructureViewerListener(this);
133       }
134       return true;
135     } catch (Exception q)
136     {
137       log("Exception when trying to open model " + file + "\n"
138               + q.toString());
139       q.printStackTrace();
140     }
141     return false;
142   }
143
144   /**
145    * Adds the ChimeraModel corresponding to the given PDBEntry, based on model
146    * name matching PDB id
147    * 
148    * @param pe
149    * @param modelsToMap
150    */
151   protected void addChimeraModel(PDBEntry pe,
152           List<ChimeraModel> modelsToMap)
153   {
154     /*
155      * Chimera: query for actual models and find the one with
156      * matching model name - already set in viewer.openModel()
157      */
158     List<ChimeraModel> newList = chimeraManager.getModelList();
159     // JAL-1728 newList.removeAll(oldList) does not work
160     for (ChimeraModel cm : newList)
161     {
162       if (cm.getModelName().equals(pe.getId()))
163       {
164         modelsToMap.add(cm);
165       }
166     }
167   }
168
169   /**
170    * Constructor
171    * 
172    * @param ssm
173    * @param pdbentry
174    * @param sequenceIs
175    * @param protocol
176    */
177   public JalviewChimeraBinding(StructureSelectionManager ssm,
178           PDBEntry[] pdbentry, SequenceI[][] sequenceIs,
179           DataSourceType protocol)
180   {
181     super(ssm, pdbentry, sequenceIs, protocol);
182     boolean chimeraX = ViewerType.CHIMERAX.equals(getViewerType());
183     chimeraManager = chimeraX ? new ChimeraXManager(new StructureManager(true)) : new ChimeraManager(new StructureManager(true));
184     setStructureCommands(chimeraX ? new ChimeraXCommands() : new ChimeraCommands());
185   }
186
187   @Override
188   protected ViewerType getViewerType()
189   {
190     return ViewerType.CHIMERA;
191   }
192
193   /**
194    * Start a dedicated HttpServer to listen for Chimera notifications, and tell it
195    * to start listening
196    */
197   public void startChimeraListener()
198   {
199     try
200     {
201       chimeraListener = new ChimeraListener(this);
202       startListening(chimeraListener.getUri());
203     } catch (BindException e)
204     {
205       System.err.println(
206               "Failed to start Chimera listener: " + e.getMessage());
207     }
208   }
209
210   /**
211    * Close down the Jalview viewer and listener, and (optionally) the associated
212    * Chimera window.
213    */
214   @Override
215   public void closeViewer(boolean closeChimera)
216   {
217     super.closeViewer(closeChimera);
218     if (this.chimeraListener != null)
219     {
220       chimeraListener.shutdown();
221       chimeraListener = null;
222     }
223     
224     /*
225      * the following call is added to avoid a stack trace error in Chimera
226      * after "stop really" is sent; Chimera > 1.14 will not need it; see also 
227      * http://plato.cgl.ucsf.edu/trac/chimera/ticket/17597
228      */
229     if (closeChimera && (getViewerType() == ViewerType.CHIMERA))
230     {
231       chimeraManager.getChimeraProcess().destroy();
232     }
233
234     chimeraManager.clearOnChimeraExit();
235     chimeraManager = null;
236   }
237
238   /**
239    * Helper method to construct model spec in Chimera format:
240    * <ul>
241    * <li>#0 (#1 etc) for a PDB file with no sub-models</li>
242    * <li>#0.1 (#1.1 etc) for a PDB file with sub-models</li>
243    * <ul>
244    * Note for now we only ever choose the first of multiple models. This
245    * corresponds to the hard-coded Jmol equivalent (compare {1.1}). Refactor in
246    * future if there is a need to select specific sub-models.
247    * 
248    * @param pdbfnum
249    * @return
250    */
251   protected String getModelSpec(int pdbfnum)
252   {
253     if (pdbfnum < 0 || pdbfnum >= getPdbCount())
254     {
255       return "#" + pdbfnum; // temp hack for ChimeraX
256     }
257
258     /*
259      * For now, the test for having sub-models is whether multiple Chimera
260      * models are mapped for the PDB file; the models are returned as a response
261      * to the Chimera command 'list models type molecule', see
262      * ChimeraManager.getModelList().
263      */
264     List<ChimeraModel> maps = chimeraMaps.get(getStructureFiles()[pdbfnum]);
265     boolean hasSubModels = maps != null && maps.size() > 1;
266     return "#" + String.valueOf(pdbfnum) + (hasSubModels ? ".1" : "");
267   }
268
269   /**
270    * Launch Chimera, unless an instance linked to this object is already
271    * running. Returns true if Chimera is successfully launched, or already
272    * running, else false.
273    * 
274    * @return
275    */
276   public boolean launchChimera()
277   {
278     if (chimeraManager.isChimeraLaunched())
279     {
280       return true;
281     }
282
283     boolean launched = chimeraManager.launchChimera(getChimeraPaths());
284     if (launched)
285     {
286       startExternalViewerMonitor(chimeraManager.getChimeraProcess());
287     }
288     else
289     {
290       log("Failed to launch Chimera!");
291     }
292     return launched;
293   }
294
295   /**
296    * Returns a list of candidate paths to the Chimera program executable
297    * 
298    * @return
299    */
300   protected List<String> getChimeraPaths()
301   {
302     return StructureManager.getChimeraPaths(false);
303   }
304
305   /**
306    * Answers true if the Chimera process is still running, false if ended or not
307    * started.
308    * 
309    * @return
310    */
311   @Override
312   public boolean isViewerRunning()
313   {
314     return chimeraManager.isChimeraLaunched();
315   }
316
317   /**
318    * Send a command to Chimera, and optionally log and return any responses.
319    * 
320    * @param command
321    * @param getResponse
322    */
323   @Override
324   public List<String> executeCommand(final StructureCommandI command,
325           boolean getResponse)
326   {
327     if (chimeraManager == null || command == null)
328     {
329       // ? thread running after viewer shut down
330       return null;
331     }
332     List<String> reply = null;
333     // trim command or it may never find a match in the replyLog!!
334     String cmd = command.getCommand().trim();
335     List<String> lastReply = chimeraManager
336             .sendChimeraCommand(cmd, getResponse);
337     if (getResponse)
338     {
339       reply = lastReply;
340       if (Cache.log.isDebugEnabled()) {
341         Cache.log.debug(
342               "Response from command ('" + cmd + "') was:\n" + lastReply); 
343       }
344     }
345
346     return reply;
347   }
348
349   @Override
350   public synchronized String[] getStructureFiles()
351   {
352     if (chimeraManager == null)
353     {
354       return new String[0];
355     }
356
357     return chimeraMaps.keySet()
358             .toArray(modelFileNames = new String[chimeraMaps.size()]);
359   }
360
361   /**
362    * Construct and send a command to highlight zero, one or more atoms. We do this
363    * by sending an "rlabel" command to show the residue label at that position.
364    */
365   @Override
366   public void highlightAtoms(List<AtomSpec> atoms)
367   {
368     if (atoms == null || atoms.size() == 0)
369     {
370       return;
371     }
372
373     boolean forChimeraX = chimeraManager.isChimeraX();
374     StringBuilder cmd = new StringBuilder(128);
375     boolean first = true;
376     boolean found = false;
377
378     for (AtomSpec atom : atoms)
379     {
380       int pdbResNum = atom.getPdbResNum();
381       String chain = atom.getChain();
382       String pdbfile = atom.getPdbFile();
383       List<ChimeraModel> cms = chimeraMaps.get(pdbfile);
384       if (cms != null && !cms.isEmpty())
385       {
386         if (first)
387         {
388           cmd.append(forChimeraX ? "label #" : "rlabel #");
389         }
390         else
391         {
392           cmd.append(",");
393         }
394         first = false;
395         if (forChimeraX)
396         {
397           cmd.append(cms.get(0).getModelNumber())
398                   .append("/").append(chain).append(":").append(pdbResNum);
399         }
400         else
401         {
402           cmd.append(cms.get(0).getModelNumber())
403                   .append(":").append(pdbResNum);
404           if (!chain.equals(" ") && !forChimeraX)
405           {
406             cmd.append(".").append(chain);
407           }
408         }
409         found = true;
410       }
411     }
412     String command = cmd.toString();
413
414     /*
415      * avoid repeated commands for the same residue
416      */
417     if (command.equals(lastHighlightCommand))
418     {
419       return;
420     }
421
422     /*
423      * unshow the label for the previous residue
424      */
425     if (lastHighlightCommand != null)
426     {
427       executeCommand(false,  null,  new StructureCommand("~" + lastHighlightCommand));
428     }
429     if (found)
430     {
431       executeCommand(false,  null,  new StructureCommand(command));
432     }
433     this.lastHighlightCommand = command;
434   }
435
436   /**
437    * Query Chimera for its current selection, and highlight it on the alignment
438    */
439   public void highlightChimeraSelection()
440   {
441     /*
442      * Ask Chimera for its current selection
443      */
444     StructureCommandI command = getCommandGenerator().getSelectedResidues();
445     
446     Runnable action = new Runnable()
447     {
448       @Override
449       public void run()
450       {
451         List<String> chimeraReply = executeCommand(command, true);
452         
453         List<String> selectedResidues = new ArrayList<>();
454         if (chimeraReply != null)
455         {
456           /*
457            * expect 0, 1 or more lines of the format either
458            * Chimera:
459            * residue id #0:43.A type GLY
460            * ChimeraX:
461            * residue id /A:89 name THR index 88
462            * We are only interested in the atomspec (third token of the reply)
463            */
464           for (String inputLine : chimeraReply)
465           {
466             String[] inputLineParts = inputLine.split("\\s+");
467             if (inputLineParts.length >= 5)
468             {
469               selectedResidues.add(inputLineParts[2]);
470             }
471           }
472         }
473
474         /*
475          * Parse model number, residue and chain for each selected position,
476          * formatted as #0:123.A or #1.2:87.B (#model.submodel:residue.chain)
477          */
478         List<AtomSpec> atomSpecs = convertStructureResiduesToAlignment(
479                 selectedResidues);
480
481         /*
482          * Broadcast the selection (which may be empty, if the user just cleared all
483          * selections)
484          */
485         getSsm().mouseOverStructure(atomSpecs);
486         
487       }
488     };
489     new Thread(action).start();
490   }
491
492   /**
493    * Converts a list of Chimera(X) atomspecs to a list of AtomSpec representing the
494    * corresponding residues (if any) in Jalview
495    * 
496    * @param structureSelection
497    * @return
498    */
499   protected List<AtomSpec> convertStructureResiduesToAlignment(
500           List<String> structureSelection)
501   {
502     List<AtomSpec> atomSpecs = new ArrayList<>();
503     for (String atomSpec : structureSelection)
504     {
505       try
506       {
507         AtomSpec spec = parseAtomSpec(atomSpec);
508         String pdbfilename = getPdbFileForModel(spec.getModelNumber());
509         spec.setPdbFile(pdbfilename);
510         atomSpecs.add(spec);
511       } catch (IllegalArgumentException e)
512       {
513         Cache.log.error("Failed to parse atomspec: " + atomSpec);
514       }
515     }
516     return atomSpecs;
517   }
518
519   /**
520    * @param modelId
521    * @return
522    */
523   protected String getPdbFileForModel(int modelId)
524   {
525     /*
526      * Work out the pdbfilename from the model number
527      */
528     String pdbfilename = modelFileNames[0];
529     findfileloop: for (String pdbfile : this.chimeraMaps.keySet())
530     {
531       for (ChimeraModel cm : chimeraMaps.get(pdbfile))
532       {
533         if (cm.getModelNumber() == modelId)
534         {
535           pdbfilename = pdbfile;
536           break findfileloop;
537         }
538       }
539     }
540     return pdbfilename;
541   }
542
543   private void log(String message)
544   {
545     System.err.println("## Chimera log: " + message);
546   }
547
548   /**
549    * Constructs and send commands to Chimera to set attributes on residues for
550    * features visible in Jalview.
551    * <p>
552    * The syntax is: setattr r &lt;attName&gt; &lt;attValue&gt; &lt;atomSpec&gt;
553    * <p>
554    * For example: setattr r jv_chain "Ferredoxin-1, Chloroplastic" #0:94.A
555    * 
556    * @param avp
557    * @return
558    */
559   public int sendFeaturesToViewer(AlignmentViewPanel avp)
560   {
561     // TODO refactor as required to pull up to an interface
562
563     Map<String, Map<Object, AtomSpecModel>> featureValues = buildFeaturesMap(
564             avp);
565     List<StructureCommandI> commands = getCommandGenerator()
566             .setAttributes(featureValues);
567     if (commands.size() > 10)
568     {
569       sendCommandsByFile(commands);
570     }
571     else
572     {
573       executeCommands(commands, false, null);
574     }
575     return commands.size();
576   }
577
578   /**
579    * Write commands to a temporary file, and send a command to Chimera to open the
580    * file as a commands script. For use when sending a large number of separate
581    * commands would overload the REST interface mechanism.
582    * 
583    * @param commands
584    */
585   protected void sendCommandsByFile(List<StructureCommandI> commands)
586   {
587     try
588     {
589       File tmp = File.createTempFile("chim", getCommandFileExtension());
590       tmp.deleteOnExit();
591       PrintWriter out = new PrintWriter(new FileOutputStream(tmp));
592       for (StructureCommandI command : commands)
593       {
594         out.println(command.getCommand());
595       }
596       out.flush();
597       out.close();
598       String path = tmp.getAbsolutePath();
599       StructureCommandI command = getCommandGenerator()
600               .openCommandFile(path);
601       executeCommand(false, null, command);
602     } catch (IOException e)
603     {
604       System.err.println("Sending commands to Chimera via file failed with "
605               + e.getMessage());
606     }
607   }
608
609   /**
610    * Returns the file extension required for a file of commands to be read by
611    * the structure viewer
612    * @return
613    */
614   protected String getCommandFileExtension()
615   {
616     return ".com";
617   }
618
619   /**
620    * Create features in Jalview for the given attribute name and structure
621    * residues.
622    * 
623    * <pre>
624    * The residue list should be 0, 1 or more reply lines of the format: 
625    *     residue id #0:5.A isHelix -155.000836316 index 5 
626    * or 
627    *     residue id #0:6.A isHelix None
628    * </pre>
629    * 
630    * @param attName
631    * @param residues
632    * @return the number of features added
633    */
634   protected int createFeaturesForAttributes(String attName,
635           List<String> residues)
636   {
637     int featuresAdded = 0;
638     String featureGroup = getViewerFeatureGroup();
639
640     for (String residue : residues)
641     {
642       AtomSpec spec = null;
643       String[] tokens = residue.split(" ");
644       if (tokens.length < 5)
645       {
646         continue;
647       }
648       String atomSpec = tokens[2];
649       String attValue = tokens[4];
650
651       /*
652        * ignore 'None' (e.g. for phi) or 'False' (e.g. for isHelix)
653        */
654       if ("None".equalsIgnoreCase(attValue)
655               || "False".equalsIgnoreCase(attValue))
656       {
657         continue;
658       }
659
660       try
661       {
662         spec = parseAtomSpec(atomSpec);
663       } catch (IllegalArgumentException e)
664       {
665         Cache.log.error("Problem parsing atomspec " + atomSpec);
666         continue;
667       }
668
669       String chainId = spec.getChain();
670       String description = attValue;
671       float score = Float.NaN;
672       try
673       {
674         score = Float.valueOf(attValue);
675         description = chainId;
676       } catch (NumberFormatException e)
677       {
678         // was not a float value
679       }
680
681       String pdbFile = getPdbFileForModel(spec.getModelNumber());
682       spec.setPdbFile(pdbFile);
683
684       List<AtomSpec> atoms = Collections.singletonList(spec);
685
686       /*
687        * locate the mapped position in the alignment (if any)
688        */
689       SearchResultsI sr = getSsm()
690               .findAlignmentPositionsForStructurePositions(atoms);
691
692       /*
693        * expect one matched alignment position, or none 
694        * (if the structure position is not mapped)
695        */
696       for (SearchResultMatchI m : sr.getResults())
697       {
698         SequenceI seq = m.getSequence();
699         int start = m.getStart();
700         int end = m.getEnd();
701         SequenceFeature sf = new SequenceFeature(attName, description,
702                 start, end, score, featureGroup);
703         // todo: should SequenceFeature have an explicit property for chain?
704         // note: repeating the action shouldn't duplicate features
705         if (seq.addSequenceFeature(sf))
706         {
707           featuresAdded++;
708         }
709       }
710     }
711     return featuresAdded;
712   }
713
714   /**
715    * Answers the feature group name to apply to features created in Jalview from
716    * Chimera attributes
717    * 
718    * @return
719    */
720   protected String getViewerFeatureGroup()
721   {
722     // todo pull up to interface
723     return CHIMERA_FEATURE_GROUP;
724   }
725
726   @Override
727   public String getModelIdForFile(String pdbFile)
728   {
729     List<ChimeraModel> foundModels = chimeraMaps.get(pdbFile);
730     if (foundModels != null && !foundModels.isEmpty())
731     {
732       return String.valueOf(foundModels.get(0).getModelNumber());
733     }
734     return "";
735   }
736
737   /**
738    * Answers a (possibly empty) list of attribute names in Chimera[X], excluding
739    * any which were added from Jalview
740    * 
741    * @return
742    */
743   public List<String> getChimeraAttributes()
744   {
745     List<String> attributes = new ArrayList<>();
746     StructureCommandI command = getCommandGenerator().listResidueAttributes();
747     final List<String> reply = executeCommand(command, true);
748     if (reply != null)
749     {
750       for (String inputLine : reply)
751       {
752         String[] lineParts = inputLine.split("\\s");
753         if (lineParts.length == 2 && lineParts[0].equals("resattr"))
754         {
755           String attName = lineParts[1];
756           /*
757            * exclude attributes added from Jalview
758            */
759           if (!attName.startsWith(ChimeraCommands.NAMESPACE_PREFIX))
760           {
761             attributes.add(attName);
762           }
763         }
764       }
765     }
766     return attributes;
767   }
768
769   /**
770    * Returns the file extension to use for a saved viewer session file (.py)
771    * 
772    * @return
773    */
774   @Override
775   public String getSessionFileExtension()
776   {
777     return CHIMERA_SESSION_EXTENSION;
778   }
779
780   @Override
781   public String getHelpURL()
782   {
783     return "https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/docs/UsersGuide";
784   }
785 }