SingleModel.h

   1 #ifndef SINGLEMODEL_H_
   2 #define SINGLEMODEL_H_
   3
   4 #include<cmath>
   5 #include<cstdio>
   6 #include<cassert>
   7 #include<cstring>
   8 #include<string>
   9 #include<algorithm>
  10 #include<sstream>
  11 #include<iostream>
  12
  13 #include "utils.h"
  14 #include "my_assert.h"
  15 #include "Orientation.h"
  16 #include "LenDist.h"
  17 #include "RSPD.h"
  18 #include "Profile.h"
  19 #include "NoiseProfile.h"
  20
  21 #include "ModelParams.h"
  22 #include "RefSeq.h"
  23 #include "Refs.h"
  24 #include "SingleRead.h"
  25 #include "SingleHit.h"
  26 #include "ReadReader.h"
  27
  28 #include "simul.h"
  29
  30 class SingleModel {
  31 public:
  32         SingleModel(Refs* refs = NULL) {
  33                 this->refs = refs;
  34                 M = (refs != NULL ? refs->getM() : 0);
  35                 memset(N, 0, sizeof(N));
  36                 estRSPD = false;
  37                 needCalcConPrb = true;
  38
  39                 ori = new Orientation();
  40                 gld = new LenDist();
  41                 mld = NULL;
  42                 rspd = new RSPD(estRSPD);
  43                 pro = new Profile();
  44                 npro = new NoiseProfile();
  45
  46                 mean = -1.0; sd = 0.0;
  47                 mw = NULL;
  48
  49                 seedLen = 0;
  50         }
  51
  52         //If it is not a master node, only init & update can be used!
  53         SingleModel(ModelParams& params, bool isMaster = true) {
  54                 M = params.M;
  55                 memcpy(N, params.N, sizeof(params.N));
  56                 refs = params.refs;
  57                 estRSPD = params.estRSPD;
  58                 mean = params.mean; sd = params.sd;
  59                 seedLen = params.seedLen;
  60                 needCalcConPrb = true;
  61
  62                 ori = NULL; gld = NULL; mld = NULL; rspd = NULL; pro = NULL; npro = NULL;
  63                 mw = NULL;
  64
  65                 if (isMaster) {
  66                         gld = new LenDist(params.minL, params.maxL);
  67                         if (mean >= EPSILON) {
  68                                 mld = new LenDist(params.mate_minL, params.mate_maxL);
  69                         }
  70                         if (!estRSPD) { rspd = new RSPD(estRSPD); }
  71                 }
  72
  73                 ori = new Orientation(params.probF);
  74                 if (estRSPD) { rspd = new RSPD(estRSPD, params.B); }
  75                 pro = new Profile(params.maxL);
  76                 npro = new NoiseProfile();
  77         }
  78
  79         ~SingleModel() {
  80                 refs = NULL;
  81                 if (ori != NULL) delete ori;
  82                 if (gld != NULL) delete gld;
  83                 if (mld != NULL) delete mld;
  84                 if (rspd != NULL) delete rspd;
  85                 if (pro != NULL) delete pro;
  86                 if (npro != NULL) delete npro;
  87                 if (mw != NULL) delete[] mw;
  88                 /* delete[] p1, p2 */
  89         }
  90
  91         void estimateFromReads(const char*);
  92
  93         //if prob is too small, just make it 0
  94         double getConPrb(const SingleRead& read, const SingleHit& hit) {
  95                 if (read.isLowQuality()) return 0.0;
  96
  97                 double prob;
  98                 int sid = hit.getSid();
  99                 RefSeq &ref = refs->getRef(sid);
 100                 int fullLen = ref.getFullLen();
 101                 int totLen = ref.getTotLen();
 102                 int dir = hit.getDir();
 103                 int pos = hit.getPos();
 104                 int readLen = read.getReadLength();
 105                 int fpos = (dir == 0 ? pos : totLen - pos - readLen); // the aligned position reported in SAM file, should be a coordinate in forward strand
 106
 107                 general_assert(fpos >= 0, "The alignment of read " + read.getName() + " to transcript " + itos(sid) + " starts at " + itos(fpos) + \
 108                                 " from the forward direction, which should be a non-negative number! " + \
 109                                 "It is possible that the aligner you use gave different read lengths for a same read in SAM file.");
 110                 general_assert(fpos + readLen <= totLen,"Read " + read.getName() + " is hung over the end of transcript " + itos(sid) + "! " \
 111                                 + "It is possible that the aligner you use gave different read lengths for a same read in SAM file.");
 112                 general_assert(readLen <= totLen, "Read " + read.getName() + " has length " + itos(readLen) + ", but it is aligned to transcript " \
 113                                 + itos(sid) + ", whose length (" + itos(totLen) + ") is shorter than the read's length!");
 114
 115                 int seedPos = (dir == 0 ? pos : totLen - pos - seedLen); // the aligned position of the seed in forward strand coordinates
 116                 if (seedPos >= fullLen || ref.getMask(seedPos)) return 0.0;
 117
 118                 int effL;
 119                 double value;
 120
 121                 if (mld != NULL) {
 122                         int minL = std::max(readLen, gld->getMinL());
 123                         int maxL = std::min(totLen - pos, gld->getMaxL());
 124                         int pfpos; // possible fpos for fragment
 125                         value = 0.0;
 126                         for (int fragLen = minL; fragLen <= maxL; fragLen++) {
 127                                 pfpos = (dir == 0 ? pos : totLen - pos - fragLen);
 128                                 effL = std::min(fullLen, totLen - fragLen + 1);
 129                                 value += gld->getAdjustedProb(fragLen, totLen) * rspd->getAdjustedProb(pfpos, effL, fullLen) * mld->getAdjustedProb(readLen, fragLen);
 130                         }
 131                 }
 132                 else {
 133                         effL = std::min(fullLen, totLen - readLen + 1);
 134                         value = gld->getAdjustedProb(readLen, totLen) * rspd->getAdjustedProb(fpos, effL, fullLen);
 135                 }
 136
 137                 prob = ori->getProb(dir) * value * pro->getProb(read.getReadSeq(), ref, pos, dir);
 138
 139                 if (prob < EPSILON) { prob = 0.0; }
 140
 141
 142                 prob = (mw[sid] < EPSILON ? 0.0 : prob / mw[sid]);
 143
 144                 return prob;
 145         }
 146
 147         double getNoiseConPrb(const SingleRead& read) {
 148                 if (read.isLowQuality()) return 0.0;
 149                 double prob = mld != NULL ? mld->getProb(read.getReadLength()) : gld->getProb(read.getReadLength());
 150                 prob *= npro->getProb(read.getReadSeq());
 151                 if (prob < EPSILON) { prob = 0.0; }
 152
 153                 prob = (mw[0] < EPSILON ? 0.0 : prob / mw[0]);
 154
 155                 return prob;
 156         }
 157
 158         double getLogP() { return npro->getLogP(); }
 159
 160         void init();
 161
 162         void update(const SingleRead& read, const SingleHit& hit, double frac) {
 163                 if (read.isLowQuality() || frac < EPSILON) return;
 164
 165                 RefSeq& ref = refs->getRef(hit.getSid());
 166                 int dir = hit.getDir();
 167                 int pos = hit.getPos();
 168
 169                 if (estRSPD) {
 170                         int fullLen = ref.getFullLen();
 171
 172                         // Only use one strand to estimate RSPD
 173                         if (ori->getProb(0) >= ORIVALVE && dir == 0) {
 174                                 rspd->update(pos, fullLen, frac);
 175                         }
 176
 177                         if (ori->getProb(0) < ORIVALVE && dir == 1) {
 178                                 int totLen = ref.getTotLen();
 179                                 int readLen = read.getReadLength();
 180
 181                                 int pfpos, effL;
 182
 183                                 if (mld != NULL) {
 184                                         int minL = std::max(readLen, gld->getMinL());
 185                                         int maxL = std::min(totLen - pos, gld->getMaxL());
 186                                         double sum = 0.0;
 187                                         assert(maxL >= minL);
 188                                         std::vector<double> frag_vec(maxL - minL + 1, 0.0);
 189
 190                                         for (int fragLen = minL; fragLen <= maxL; fragLen++) {
 191                                                 pfpos = totLen - pos - fragLen;
 192                                                 effL = std::min(fullLen, totLen - fragLen + 1);
 193                                                 frag_vec[fragLen - minL] = gld->getAdjustedProb(fragLen, totLen) * rspd->getAdjustedProb(pfpos, effL, fullLen) * mld->getAdjustedProb(readLen, fragLen);
 194                                                 sum += frag_vec[fragLen - minL];
 195                                         }
 196                                         assert(sum >= EPSILON);
 197                                         for (int fragLen = minL; fragLen <= maxL; fragLen++) {
 198                                                 pfpos = totLen - pos - fragLen;
 199                                                 rspd->update(pfpos, fullLen, frac * (frag_vec[fragLen - minL] / sum));
 200                                         }
 201                                 }
 202                                 else {
 203                                         rspd->update(totLen - pos - readLen, fullLen, frac);
 204                                 }
 205                         }
 206                 }
 207                 pro->update(read.getReadSeq(), ref, pos, dir, frac);
 208         }
 209
 210         void updateNoise(const SingleRead& read, double frac) {
 211                 if (read.isLowQuality() || frac < EPSILON) return;
 212
 213                 npro->update(read.getReadSeq(), frac);
 214         }
 215
 216         void finish();
 217
 218         void collect(const SingleModel&);
 219
 220         bool getNeedCalcConPrb() { return needCalcConPrb; }
 221         void setNeedCalcConPrb(bool value) { needCalcConPrb = value; }
 222
 223         //void calcP1();
 224         //void calcP2();
 225         //double* getP1() { return p1; }
 226         //double* getP2() { return p2; }
 227
 228         void read(const char*);
 229         void write(const char*);
 230
 231         const LenDist& getGLD() { return *gld; }
 232
 233         void startSimulation(simul*, double*);
 234         bool simulate(READ_INT_TYPE, SingleRead&, int&);
 235         void finishSimulation();
 236
 237         double* getMW() {
 238           assert(mw != NULL);
 239           return mw;
 240         }
 241
 242         int getModelType() const { return model_type; }
 243
 244 private:
 245         static const int model_type = 0;
 246         static const int read_type = 0;
 247
 248         int M;
 249         READ_INT_TYPE N[3];
 250         Refs *refs;
 251         double mean, sd;
 252         int seedLen;
 253         //double *p1, *p2; P_i' & P_i''
 254
 255         bool estRSPD; // true if estimate RSPD
 256         bool needCalcConPrb; // true need, false does not need
 257
 258         Orientation *ori;
 259         LenDist *gld, *mld;
 260         RSPD *rspd;
 261         Profile *pro;
 262         NoiseProfile *npro;
 263
 264         simul *sampler; // for simulation
 265         double *theta_cdf; // for simulation
 266
 267         double *mw; // for masking
 268
 269         void calcMW();
 270 };
 271
 272 void SingleModel::estimateFromReads(const char* readFN) {
 273         int s;
 274         char readFs[2][STRLEN];
 275         SingleRead read;
 276
 277         mld != NULL ? mld->init() : gld->init();
 278         for (int i = 0; i < 3; i++)
 279                 if (N[i] > 0) {
 280                         genReadFileNames(readFN, i, read_type, s, readFs);
 281                         ReadReader<SingleRead> reader(s, readFs, refs->hasPolyA(), seedLen); // allow calculation of calc_lq() function
 282
 283                         READ_INT_TYPE cnt = 0;
 284                         while (reader.next(read)) {
 285                                 if (!read.isLowQuality()) {
 286                                         mld != NULL ? mld->update(read.getReadLength(), 1.0) : gld->update(read.getReadLength(), 1.0);
 287                                         if (i == 0) { npro->updateC(read.getReadSeq()); }
 288                                 }
 289                                 else if (verbose && read.getReadLength() < seedLen) {
 290                                         std::cout<< "Warning: Read "<< read.getName()<< " is ignored due to read length "<< read.getReadLength()<< " < seed length "<< seedLen<< "!"<< std::endl;
 291                                 }
 292
 293                                 ++cnt;
 294                                 if (verbose && cnt % 1000000 == 0) { std::cout<< cnt<< " READS PROCESSED"<< std::endl; }
 295                         }
 296
 297                         if (verbose) { std::cout<< "estimateFromReads, N"<< i<< " finished."<< std::endl; }
 298                 }
 299
 300         mld != NULL ? mld->finish() : gld->finish();
 301         //mean should be > 0
 302         if (mean >= EPSILON) {
 303           assert(mld->getMaxL() <= gld->getMaxL());
 304           gld->setAsNormal(mean, sd, std::max(mld->getMinL(), gld->getMinL()), gld->getMaxL());
 305         }
 306         npro->calcInitParams();
 307
 308         mw = new double[M + 1];
 309         calcMW();
 310 }
 311
 312 void SingleModel::init() {
 313         if (estRSPD) rspd->init();
 314         pro->init();
 315         npro->init();
 316 }
 317
 318 void SingleModel::finish() {
 319         if (estRSPD) rspd->finish();
 320         pro->finish();
 321         npro->finish();
 322         needCalcConPrb = true;
 323         if (estRSPD) calcMW();
 324 }
 325
 326 void SingleModel::collect(const SingleModel& o) {
 327         if (estRSPD) rspd->collect(*(o.rspd));
 328         pro->collect(*(o.pro));
 329         npro->collect(*(o.npro));
 330 }
 331
 332 //Only master node can call
 333 void SingleModel::read(const char* inpF) {
 334         int val;
 335         FILE *fi = fopen(inpF, "r");
 336         if (fi == NULL) { fprintf(stderr, "Cannot open %s! It may not exist.\n", inpF); exit(-1); }
 337
 338         assert(fscanf(fi, "%d", &val) == 1);
 339         assert(val == model_type);
 340
 341         ori->read(fi);
 342         gld->read(fi);
 343         assert(fscanf(fi, "%d", &val) == 1);
 344         if (val > 0) {
 345                 if (mld == NULL) mld = new LenDist();
 346                 mld->read(fi);
 347         }
 348         rspd->read(fi);
 349         pro->read(fi);
 350         npro->read(fi);
 351
 352         if (fscanf(fi, "%d", &val) == 1) {
 353                 if (M == 0) M = val;
 354                 if (M == val) {
 355                         mw = new double[M + 1];
 356                         for (int i = 0; i <= M; i++) assert(fscanf(fi, "%lf", &mw[i]) == 1);
 357                 }
 358         }
 359
 360         fclose(fi);
 361 }
 362
 363 //Only master node can call. Only be called at EM.cpp
 364 void SingleModel::write(const char* outF) {
 365         FILE *fo = fopen(outF, "w");
 366
 367         fprintf(fo, "%d\n", model_type);
 368         fprintf(fo, "\n");
 369
 370         ori->write(fo);  fprintf(fo, "\n");
 371         gld->write(fo);  fprintf(fo, "\n");
 372         if (mld != NULL) {
 373                 fprintf(fo, "1\n");
 374                 mld->write(fo);
 375         }
 376         else { fprintf(fo, "0\n"); }
 377         fprintf(fo, "\n");
 378         rspd->write(fo); fprintf(fo, "\n");
 379         pro->write(fo);  fprintf(fo, "\n");
 380         npro->write(fo);
 381
 382         if (mw != NULL) {
 383           fprintf(fo, "\n%d\n", M);
 384           for (int i = 0; i < M; i++) {
 385             fprintf(fo, "%.15g ", mw[i]);
 386           }
 387           fprintf(fo, "%.15g\n", mw[M]);
 388         }
 389
 390         fclose(fo);
 391 }
 392
 393 void SingleModel::startSimulation(simul* sampler, double* theta) {
 394         this->sampler = sampler;
 395
 396         theta_cdf = new double[M + 1];
 397         for (int i = 0; i <= M; i++) {
 398                 theta_cdf[i] = theta[i];
 399                 if (i > 0) theta_cdf[i] += theta_cdf[i - 1];
 400         }
 401
 402         rspd->startSimulation(M, refs);
 403         pro->startSimulation();
 404         npro->startSimulation();
 405 }
 406
 407 bool SingleModel::simulate(READ_INT_TYPE rid, SingleRead& read, int& sid) {
 408         int dir, pos, readLen, fragLen;
 409         std::string name;
 410         std::string readseq;
 411         std::ostringstream strout;
 412
 413         sid = sampler->sample(theta_cdf, M + 1);
 414
 415         if (sid == 0) {
 416                 dir = pos = 0;
 417                 readLen = (mld != NULL ? mld->simulate(sampler, -1) : gld->simulate(sampler, -1));
 418                 readseq = npro->simulate(sampler, readLen);
 419         }
 420         else {
 421                 RefSeq &ref = refs->getRef(sid);
 422                 dir = ori->simulate(sampler);
 423                 fragLen = gld->simulate(sampler, ref.getTotLen());
 424                 if (fragLen < 0) return false;
 425                 int effL = std::min(ref.getFullLen(), ref.getTotLen() - fragLen + 1);
 426                 pos = rspd->simulate(sampler, sid, effL);
 427                 if (pos < 0) return false;
 428                 if (dir > 0) pos = ref.getTotLen() - pos - fragLen;
 429
 430                 if (mld != NULL) {
 431                         readLen = mld->simulate(sampler, fragLen);
 432                         if (readLen < 0) return false;
 433                         readseq = pro->simulate(sampler, readLen, pos, dir, ref);
 434                 }
 435                 else {
 436                         readseq = pro->simulate(sampler, fragLen, pos, dir, ref);
 437                 }
 438         }
 439
 440         strout<<rid<<"_"<<dir<<"_"<<sid<<"_"<<pos;
 441         name = strout.str();
 442
 443         read = SingleRead(name, readseq);
 444
 445         return true;
 446 }
 447
 448 void SingleModel::finishSimulation() {
 449         delete[] theta_cdf;
 450
 451         rspd->finishSimulation();
 452         pro->finishSimulation();
 453         npro->finishSimulation();
 454 }
 455
 456 void SingleModel::calcMW() {
 457         double probF, probR;
 458
 459         assert((mld == NULL ? gld->getMinL() : mld->getMinL()) >= seedLen);
 460
 461         memset(mw, 0, sizeof(double) * (M + 1));
 462         mw[0] = 1.0;
 463
 464         probF = ori->getProb(0);
 465         probR = ori->getProb(1);
 466
 467         for (int i = 1; i <= M; i++) {
 468                 RefSeq& ref = refs->getRef(i);
 469                 int totLen = ref.getTotLen();
 470                 int fullLen = ref.getFullLen();
 471                 double value = 0.0;
 472                 int minL, maxL;
 473                 int effL, pfpos;
 474                 int end = std::min(fullLen, totLen - seedLen + 1);
 475                 double factor;
 476
 477                 for (int seedPos = 0; seedPos < end; seedPos++)
 478                         if (ref.getMask(seedPos)) {
 479                                 //forward
 480                                 minL = gld->getMinL();
 481                                 maxL = std::min(gld->getMaxL(), totLen - seedPos);
 482                                 pfpos = seedPos;
 483                                 for (int fragLen = minL; fragLen <= maxL; fragLen++) {
 484                                         effL = std::min(fullLen, totLen - fragLen + 1);
 485                                         factor = (mld == NULL ? 1.0 : mld->getAdjustedCumulativeProb(std::min(mld->getMaxL(), fragLen), fragLen));
 486                                         value += probF * gld->getAdjustedProb(fragLen, totLen) * rspd->getAdjustedProb(pfpos, effL, fullLen) * factor;
 487                                 }
 488                                 //reverse
 489                                 minL = gld->getMinL();
 490                                 maxL = std::min(gld->getMaxL(), seedPos + seedLen);
 491                                 for (int fragLen = minL; fragLen <= maxL; fragLen++) {
 492                                         pfpos = seedPos - (fragLen - seedLen);
 493                                         effL = std::min(fullLen, totLen - fragLen + 1);
 494                                         factor = (mld == NULL ? 1.0 : mld->getAdjustedCumulativeProb(std::min(mld->getMaxL(), fragLen), fragLen));
 495                                         value += probR * gld->getAdjustedProb(fragLen, totLen) * rspd->getAdjustedProb(pfpos, effL, fullLen) * factor;
 496                                 }
 497                         }
 498
 499                 //for reverse strand masking
 500                 for (int seedPos = end; seedPos <= totLen - seedLen; seedPos++) {
 501                         minL = std::max(gld->getMinL(), seedPos + seedLen - fullLen + 1);
 502                         maxL = std::min(gld->getMaxL(), seedPos + seedLen);
 503                         for (int fragLen = minL; fragLen <= maxL; fragLen++) {
 504                                 pfpos = seedPos - (fragLen - seedLen);
 505                                 effL = std::min(fullLen, totLen - fragLen + 1);
 506                                 factor = (mld == NULL ? 1.0 : mld->getAdjustedCumulativeProb(std::min(mld->getMaxL(), fragLen), fragLen));
 507                                 value += probR * gld->getAdjustedProb(fragLen, totLen) * rspd->getAdjustedProb(pfpos, effL, fullLen) * factor;
 508                         }
 509                 }
 510
 511                 mw[i] = 1.0 - value;
 512
 513                 if (mw[i] < 1e-8) {
 514                         //      fprintf(stderr, "Warning: %dth reference sequence is masked for almost all positions!\n", i);
 515                         mw[i] = 0.0;
 516                 }
 517         }
 518 }
 519
 520 #endif /* SINGLEMODEL_H_ */