Merge branch 'develop' into features/mchmmer
[jalview.git] / src / jalview / analysis / AAFrequency.java
index 8ff95a1..85a9bb0 100755 (executable)
@@ -61,6 +61,8 @@ public class AAFrequency
 
   private static final String DNA = "DNA";
 
+  private static final String RNA = "RNA";
+
   /*
    * Quick look-up of String value of char 'A' to 'Z'
    */
@@ -108,6 +110,7 @@ public class AAFrequency
   }
 
 
+
   /**
    * Calculate the consensus symbol(s) for each column in the given range.
    * 
@@ -154,14 +157,13 @@ public class AAFrequency
       {
         if (sequences[row] == null)
         {
-          System.err
-                  .println("WARNING: Consensus skipping null sequence - possible race condition.");
+          System.err.println(
+                  "WARNING: Consensus skipping null sequence - possible race condition.");
           continue;
         }
-        char[] seq = sequences[row].getSequence();
-        if (seq.length > column)
+        if (sequences[row].getLength() > column)
         {
-          char c = seq[column];
+          char c = sequences[row].getCharAt(column);
           residueCounts.add(c);
           if (Comparison.isNucleotide(c))
           {
@@ -200,6 +202,57 @@ public class AAFrequency
   }
 
   /**
+   * Returns the full set of profiles for a hidden Markov model. The underlying
+   * data is the raw probabilities of a residue being emitted at each node,
+   * however the profiles returned by this function contain the percentage
+   * chance of a residue emission.
+   * 
+   * @param hmm
+   * @param width
+   *          The width of the Profile array (Profiles) to be returned.
+   * @param start
+   *          The alignment column on which the first profile is based.
+   * @param end
+   *          The alignment column on which the last profile is based.
+   * @param saveFullProfile
+   *          Flag for saving the counts for each profile
+   * @param removeBelowBackground
+   *          Flag for removing any characters with a match emission probability
+   *          less than its background frequency
+   * @return
+   */
+  public static ProfilesI calculateHMMProfiles(final HiddenMarkovModel hmm,
+          int width, int start, int end, boolean saveFullProfile,
+          boolean removeBelowBackground, boolean infoLetterHeight)
+  {
+    ProfileI[] result = new ProfileI[width];
+    int symbolCount = hmm.getNumberOfSymbols();
+    for (int column = start; column < end; column++)
+    {
+      ResidueCount counts = new ResidueCount();
+      for (char symbol : hmm.getSymbols())
+      {
+        int value = getAnalogueCount(hmm, column, symbol,
+                removeBelowBackground, infoLetterHeight);
+        counts.put(symbol, value);
+      }
+      int maxCount = counts.getModalCount();
+      String maxResidue = counts.getResiduesForCount(maxCount);
+      int gapCount = counts.getGapCount();
+      ProfileI profile = new Profile(symbolCount, gapCount, maxCount,
+              maxResidue);
+
+      if (saveFullProfile)
+      {
+        profile.setCounts(counts);
+      }
+
+      result[column] = profile;
+    }
+    return new Profiles(result);
+  }
+
+  /**
    * Make an estimate of the profile size we are going to compute i.e. how many
    * different characters may be present in it. Overestimating has a cost of
    * using more memory than necessary. Underestimating has a cost of needing to
@@ -297,6 +350,89 @@ public class AAFrequency
   }
 
   /**
+   * Derive the information annotations to be added to the alignment for
+   * display. This does not recompute the raw data, but may be called on a
+   * change in display options, such as 'ignore below background frequency',
+   * which may in turn result in a change in the derived values.
+   * 
+   * @param information
+   *          the annotation row to add annotations to
+   * @param profiles
+   *          the source information data
+   * @param startCol
+   *          start column (inclusive)
+   * @param endCol
+   *          end column (exclusive)
+   * @param ignoreGaps
+   *          if true, normalise residue percentages 
+   * @param showSequenceLogo
+   *          if true include all information symbols, else just show modal
+   *          residue
+   * @param nseq
+   *          number of sequences
+   */
+  public static float completeInformation(AlignmentAnnotation information,
+          ProfilesI profiles, int startCol, int endCol, long nseq,
+          Float currentMax)
+  {
+    // long now = System.currentTimeMillis();
+    if (information == null || information.annotations == null
+            || information.annotations.length < endCol)
+    {
+      /*
+       * called with a bad alignment annotation row 
+       * wait for it to be initialised properly
+       */
+      return 0;
+    }
+
+    Float max = 0f;
+
+    for (int i = startCol; i < endCol; i++)
+    {
+      ProfileI profile = profiles.get(i);
+      if (profile == null)
+      {
+        /*
+         * happens if sequences calculated over were 
+         * shorter than alignment width
+         */
+        information.annotations[i] = null;
+        return 0;
+      }
+
+      HiddenMarkovModel hmm;
+      
+      SequenceI hmmSeq = information.sequenceRef;
+      
+      hmm = hmmSeq.getHMM();
+      
+      Float value = getInformationContent(i, hmm);
+
+      if (value > max)
+      {
+        max = value;
+      }
+
+      String description = value + " bits";
+      information.annotations[i] = new Annotation(
+              Character.toString(Character
+                      .toUpperCase(hmm.getConsensusAtAlignColumn(i))),
+              description, ' ', value);
+    }
+    if (max > currentMax)
+    {
+      information.graphMax = max;
+      return max;
+    }
+    else
+    {
+      information.graphMax = currentMax;
+      return currentMax;
+    }
+  }
+
+  /**
    * Derive the gap count annotation row.
    * 
    * @param gaprow
@@ -323,7 +459,7 @@ public class AAFrequency
     // always set ranges again
     gaprow.graphMax = nseq;
     gaprow.graphMin = 0;
-    double scale = 0.8/nseq;
+    double scale = 0.8 / nseq;
     for (int i = startCol; i < endCol; i++)
     {
       ProfileI profile = profiles.get(i);
@@ -341,9 +477,9 @@ public class AAFrequency
 
       String description = "" + gapped;
 
-      gaprow.annotations[i] = new Annotation("", description,
-              '\0', gapped, jalview.util.ColorUtils.bleachColour(
-                      Color.DARK_GRAY, (float) scale * gapped));
+      gaprow.annotations[i] = new Annotation("", description, '\0', gapped,
+              jalview.util.ColorUtils.bleachColour(Color.DARK_GRAY,
+                      (float) scale * gapped));
     }
   }
 
@@ -352,7 +488,8 @@ public class AAFrequency
    * <ul>
    * <li>the full profile (percentages of all residues present), if
    * showSequenceLogo is true, or</li>
-   * <li>just the modal (most common) residue(s), if showSequenceLogo is false</li>
+   * <li>just the modal (most common) residue(s), if showSequenceLogo is
+   * false</li>
    * </ul>
    * Percentages are as a fraction of all sequence, or only ungapped sequences
    * if ignoreGaps is true.
@@ -373,8 +510,8 @@ public class AAFrequency
     String description = null;
     if (counts != null && showSequenceLogo)
     {
-      int normaliseBy = ignoreGaps ? profile.getNonGapped() : profile
-              .getHeight();
+      int normaliseBy = ignoreGaps ? profile.getNonGapped()
+              : profile.getHeight();
       description = counts.getTooltip(normaliseBy, dp);
     }
     else
@@ -431,8 +568,8 @@ public class AAFrequency
     QuickSort.sort(values, symbols);
     int nextArrayPos = 2;
     int totalPercentage = 0;
-    final int divisor = ignoreGaps ? profile.getNonGapped() : profile
-            .getHeight();
+    final int divisor = ignoreGaps ? profile.getNonGapped()
+            : profile.getHeight();
 
     /*
      * traverse the arrays in reverse order (highest counts first)
@@ -550,8 +687,8 @@ public class AAFrequency
         {
           continue;
         }
-        List<char[]> codons = MappingUtils
-                .findCodonsFor(seq, col, mappings);
+        List<char[]> codons = MappingUtils.findCodonsFor(seq, col,
+                mappings);
         for (char[] codon : codons)
         {
           int codonEncoded = CodingUtils.encodeCodon(codon);
@@ -631,10 +768,10 @@ public class AAFrequency
 
       int modalCodonEncoded = codons[codons.length - 1];
       int modalCodonCount = sortedCodonCounts[codons.length - 1];
-      String modalCodon = String.valueOf(CodingUtils
-              .decodeCodon(modalCodonEncoded));
-      if (sortedCodonCounts.length > 1
-              && sortedCodonCounts[codons.length - 2] == sortedCodonCounts[codons.length - 1])
+      String modalCodon = String
+              .valueOf(CodingUtils.decodeCodon(modalCodonEncoded));
+      if (sortedCodonCounts.length > 1 && sortedCodonCounts[codons.length
+              - 2] == sortedCodonCounts[codons.length - 1])
       {
         /*
          * two or more codons share the modal count
@@ -693,8 +830,8 @@ public class AAFrequency
           {
             if (samePercent.length() > 0)
             {
-              mouseOver.append(samePercent).append(": ")
-                      .append(lastPercent).append("% ");
+              mouseOver.append(samePercent).append(": ").append(lastPercent)
+                      .append("% ");
             }
             samePercent.setLength(0);
             samePercent.append(codon);
@@ -728,6 +865,32 @@ public class AAFrequency
   }
 
   /**
+   * Returns the information content at a specified column.
+   * 
+   * @param column
+   *          Index of the column, starting from 0.
+   * @return
+   */
+  public static float getInformationContent(int column,
+          HiddenMarkovModel hmm)
+  {
+    float informationContent = 0f;
+
+    for (char symbol : hmm.getSymbols())
+    {
+      float freq = 0f;
+      freq = ResidueProperties.backgroundFrequencies
+              .get(hmm.getAlphabetType()).get(symbol);
+      Double hmmProb = hmm.getMatchEmissionProbability(column, symbol);
+      float prob = hmmProb.floatValue();
+      informationContent += prob * (Math.log(prob / freq) / Math.log(2));
+
+    }
+
+    return informationContent;
+  }
+
+  /**
    * Produces a HMM profile for a column in an alignment
    * 
    * @param aa
@@ -739,15 +902,12 @@ public class AAFrequency
    *          less than their background frequencies.
    * @return
    */
-  public static int[] getHMMProfileFor(AlignmentAnnotation aa, int column,
-          boolean removeBelowBackground)
+  public static int[] extractHMMProfile(HiddenMarkovModel hmm, int column,
+          boolean removeBelowBackground, boolean infoHeight)
   {
 
-    HiddenMarkovModel hmm;
-    hmm = aa.getHMM();
     if (hmm != null)
     {
-      String alph = hmm.getAlphabetType();
       int size = hmm.getNumberOfSymbols();
       char symbols[] = new char[size];
       int values[] = new int[size];
@@ -758,31 +918,10 @@ public class AAFrequency
       {
         char symbol = charList.get(i);
         symbols[i] = symbol;
-        Double value;
-
-        value = hmm.getMatchEmissionProbability(column, symbol);
-        double freq;
-
-        if (AMINO.equals(alph) && removeBelowBackground)
-        {
-          freq = ResidueProperties.aminoBackgroundFrequencies.get(symbol);
-          if (value < freq)
-          {
-            value = 0d;
-          }
-        }
-        else if (DNA.equals(alph) && removeBelowBackground)
-        {
-          freq = ResidueProperties.nucleotideBackgroundFrequencies
-                  .get(symbol);
-          if (value < freq)
-          {
-            value = 0d;
-          }
-        }
-        value = value * 10000;
-        values[i] = value.intValue();
-        totalCount += value.intValue();
+        int value = getAnalogueCount(hmm, column, symbol,
+                removeBelowBackground, infoHeight);
+        values[i] = value;
+        totalCount += value;
       }
 
       QuickSort.sort(values, symbols);
@@ -791,19 +930,27 @@ public class AAFrequency
 
       profile[0] = AlignmentAnnotation.SEQUENCE_PROFILE;
       profile[1] = size;
-      profile[2] = totalCount / 100;
+      profile[2] = 100;
 
       if (totalCount != 0)
       {
         int arrayPos = 3;
         for (int k = size - 1; k >= 0; k--)
         {
-          Double percentage;
+          Float percentage;
           Integer value = values[k];
-          percentage = (value.doubleValue() / totalCount.doubleValue())
-                  * 100d;
+          if (removeBelowBackground)
+          {
+            percentage = (value.floatValue() / totalCount.floatValue())
+                    * 100;
+          }
+          else
+          {
+            percentage = value.floatValue() / 100f;
+          }
+          int intPercent = Math.round(percentage);
           profile[arrayPos] = symbols[k];
-          profile[arrayPos + 1] = percentage.intValue();
+          profile[arrayPos + 1] = intPercent;
           arrayPos += 2;
         }
       }
@@ -811,4 +958,40 @@ public class AAFrequency
     }
     return null;
   }
+
+  /**
+   * Converts the emission probability of a residue at a column in the alignment
+   * to a 'count' to allow for processing by the annotation renderer.
+   * 
+   * @param hmm
+   * @param column
+   * @param removeBelowBackground
+   *          When true, this method returns 0 for any symbols with a match
+   *          emission probability less than the background frequency.
+   * @param symbol
+   * @return
+   */
+  static int getAnalogueCount(HiddenMarkovModel hmm, int column,
+          char symbol, boolean removeBelowBackground, boolean infoHeight)
+  {
+    Double value;
+
+    value = hmm.getMatchEmissionProbability(column, symbol);
+    double freq;
+
+    freq = ResidueProperties.backgroundFrequencies
+            .get(hmm.getAlphabetType()).get(symbol);
+    if (value < freq && removeBelowBackground)
+    {
+      return 0;
+    }
+
+    if (infoHeight)
+    {
+      value = value * (Math.log(value / freq) / Math.log(2));
+    }
+
+    value = value * 10000;
+    return Math.round(value.floatValue());
+  }
 }