Relion

Relion是一款支持GPU加速技術的三維重構軟件。Relion是一個獨立的計算機程序,采用貝葉斯法來細化(多個)3D重構或冷凍電鏡中的2D類平均值。

特征:

① 功能豐富,可以直接導入Inference,并且支持功能混合使用
② 支持手動做Motioncorr,可以手動輸入相關參數
③ 可以選擇特定參數并進行優化,得出更精確的結果
④ 便于保管,可以對每個任務進行分類和名稱添加
⑤ 支持Recenter功能,可以提高分辨率
⑥ 能夠最大化總體硬件利用率,允許多個CPU內核使用每個GPU
⑦ 具有更快的處理速度,支持從內存直接讀取數據,但與硬件配置有關,與GPU的數量和CPU的核數有關,CPU核數不足時,軟件會自行報錯
⑧ 具有更高效的算法,支持asc18超算

 

EMAN2

EMAN2是一款透射電子顯微鏡圖像處理軟件。它是一個基于廣泛的灰度科學圖像處理套件,主要側重于處理來自透射電子顯微鏡的數據。EMAN的最初目的是以盡可能高的分辨率執行單粒子重構(來自2-D cryo-EM圖像的3-D體積模型),但該套件現在還支持單粒子cryo-ET,以及在許多其他子學科中有用的工具例如螺旋重構,二維晶體學和全細胞斷層掃描。像EMAN這樣的套件中的圖像處理不同于像Photoshop這樣的消費者圖像處理軟件包,因為圖像中的像素表示為浮點數而不是小的(8-16位)整數。此外,完全避免了圖像壓縮,并且側重于定量分析而不是定性圖像顯示。

特征:

① 所有EMAN2程序(包括GUI程序)都是用易于學習的Python腳本語言編寫的。這使得知識淵博的最終用戶能夠輕松自定義任何代碼。即使不是高級用戶,也可以使用集成的GUI和所有EMAN2的命令行程序
② EMAN2使用模塊化策略并行運行命令,根據具體環境可以選擇不同的方式并行運行EMAN2程序
③ 線程 - 這適用于具有多個處理器(核心)或群集的單個節點的單臺計算機。EMAN2可以非常有效地使用所有這些內核,但只有在一臺計算機上運行時,此模式才有效
④ MPI - 這是當今幾乎所有大型集群上使用的標準并行方法。即使使用EMAN2的二進制分發,也需要為特定群集進行少量自定義安裝
⑤ 分布式 - 這是為EMAN2開發的原始并行方法。MPI現在更適合集群,而線程則是個人計算機的首選
⑥ --threads選項 - 除了 - parallel之外,某些命令還有--threads選項。有一些命令無法使用--parallel提供的通用多計算機并行性運行。這些命令仍然可以在單個機器上利用多個核心。--threads是單臺計算機上可用處理器的數量。當兩者都可用時,應該另外指定--parallel
⑦ EMAN2中唯一最新的GPU代碼使用支持GPU的Python庫,用于粒子拾取,異質性分析和自動斷層圖分割的新神經網絡代碼等完全支持GPU的Theano

 

Frealign

Frealign是一種軟件工具,用于處理單分子和復合物的電子顯微鏡圖像,以最高分辨率進行重構,即從單個粒子的cryo-EM圖像中對三維重構進行高分辨率細化的程序。它計算和細化從電子顯微鏡上收集的圖像,提供快速準確的投影匹配算法,并計算出大分子組件的三維(3D)結構。其他功能包括顯微鏡散焦和放大倍數的改進,Ewald球體曲率的校正,螺旋粒子的處理,3D分類和密度掩蔽。此外,還開發了算法和運行腳本以利用并行計算環境來加速處理。

特征:

① 支持GPU加速處理
② 允許使用3D并行化加速因子重構多個CPU
③ 分辨率限制也用于分類和細化
④ 允許處理帶有接縫的螺旋狀細絲
⑤ 提供了許多細化參數和選項,允許用戶調整和細化以實現特定目標

 

ATOM

ATOM軟件是一款使用簡單、性能高、成本低、移植性較強的國內首款基于GPU的電子斷層三維重構軟件,具有很強的科研性和實用性價值。用于包含實質生物結構但沒有基準標記的數據集的精確對準模塊和嵌入基準標記的數據集的全自動對準模塊; 它基于壓縮感知理論,利用一種新的迭代重構方法,可以恢復“缺失楔形”,從而具有多種重構方法; 它是多平臺加速解決方案,支持更快的迭代代數重構。目前,標記基礎對齊和重構ATOM 是最受挑戰的模塊,而無標記對齊仍然具有數據特征的局限性。ATOM 已經在Red Hat Enterprise 6.4,Cenots 6.5,Ubuntu 14.04和Ubuntu 16.04下構建,其他系統可能不受支持。

特征:

① 實現了二維投影圖像對位、確定重構參數、三維重構及二維數據的可視化等功能
② 在二維對位方面采用了迭代的平移旋轉對位方法,提高對位精度
③ 在三維重構方面,實現了 GPU 平臺上的并行迭代重構算法
④ ATOM 為開源軟件,用戶可以根據自己的實際需求,添加相應的代碼,擴充相應功能
⑤ 包含一個名為bin的新選項,允許對一個卷進行存儲,當想要調整算法的參數時,可以更快地看到重構結果

 

Scipion

Scipion是使用電子顯微鏡(3DEM)獲得大分子復合物的3D模型的圖像處理框架。它集成了多個軟件包,為生物學家和開發人員提供了統一的界面。Scipion允許執行不同組合軟件工具的工作流程,同時處理格式和轉換。此外,所有步驟都會被跟蹤,以后可以再現。用戶可以根據自己的需要自由調用不同軟件,定制電鏡數據處理流程,無需各軟件之間的格式轉換,極大的方便了用戶使用多種軟件處理電鏡數據并進行對比分析。

特征:

① SCIPION使用依賴于CUDA 8.0進行GPU加速的軟件
② SCIPION可以自動下載獲取太大而無法包含在軟件中的測試數據集
③ 專門針對需要在結構解析過程的幾個關鍵階段提供非常精確答案的非專家用戶
④ Scipion流實現廣泛使用線程,它促進了一種計算形式,其中多個作業同時執行,而不是順序執行

 

Motioncor2

MotionCor2校正整個幀上單個像素級別的各向異性圖像運動,適用于單個粒子和斷層圖像。它是能自動采集數據的多GPU加速程序,可以處理各種數據集,包括非常接近焦點或集成時間非常短的數據集,不需要顆粒拋光,顯著提高了Thon環質量和3D重構分辨率。MotionCor2是一個集增益校正、檢測和校正于一體的綜合程序單個和集群的壞像素,劑量加權,并支持MRC和TIFF。

特征:

① 在HPC中運行中請求GPU節點進行互動工作
② 支持批量工作
③ 每個GPU只能在一個MotionCor2進程中使用,MotionCor2可以運行在多個GPU上等

 

Gautomatch

gautomatch是一個GPU加速程序,用于從具有或不具有模板的冷凍電鏡照片中進行準確,快速,靈活和全自動的顆粒采集。

特征:

① 協議提供交互式向導,用于選擇粒度和優化閾值
② 默認情況下,程序會自行猜測所有高級參數
③ 單擊“ 分析結果”按鈕,該按鈕將啟動Xmipp粒子拾取器窗口并顯示每個顯微照片的拾取粒子等

 

cryoSPARC

CryoSPARC是一個集成的平臺,用于從單粒子低溫EM數據中獲取3D結構信息,結合了最先進的算法,高性能的數值實現和精心設計的軟件,提高了單粒子cryo-EM工作流的吞吐量。cryoSPARC平臺可實現蛋白質,病毒和分子復合物的自動化的高質量和高通量結構發現,用于快速無監督的冷凍電鏡結構解析,可以進行由低到高分辨率的快速、自動化的生物大分子結構解析。

特征:

① 能比較好地避免人為給予的模型帶來的模型偏向
② 集合了隨機梯度下降法和分支界限法,件有性價比極高的處理能力
③ 引入了兩個新的算法進行改良,第一個是隨機梯度下降法(stochastic gradientdescent,簡稱SGD),用于快速尋找低分辨率的三維模型,可以從電鏡數據上直接搭建初始模型;第二個算法是分支界限最大似然優化法(branch-and-bound maximum likelihood optimization),用于改進顆粒對齊方式,減少冗余計算,從而節約大量計算資源以及加速高分辨率的重構步驟
④ 顯微鏡數據的預處理,包括全局和局部運動校正,顯微鏡參數估計,單個顯微照片的計算和剔除
⑤ 粒子拾取,排序和分類2D圖像以刪除低質量信息
⑥ Ab-initio三維結構確定均勻和異質樣品,無需事先了解結構或構象
⑦ 通過專門的膜蛋白和難以處理的算法,將3D結構細化到近原子分辨率
⑧ 用于原子建模映射的后處理

 

Xmipp

Xmipp是(基于X窗口的顯微鏡圖像處理包)一套主要針對單粒子3D電子顯微鏡的圖像處理程序,集成在軟件平臺Scipion中,主要用于從透射電子顯微鏡獲取的大量投影圖像中進行生物樣本的3D重構。它是一套全面的圖像處理算法,在分析單個粒子時非常重視,盡管它正在向電子斷層掃描和X射線斷層掃描方向發展。程序使用ANSI-C編寫,并使用X-Windows進行圖形輸出,提供了許多使用PVM和PARMACS的并行擴展。新一代Xmipp經過重新設計,旨在最大限度地提高靈活性和模塊性,可能有助于將其集成到該領域的未來標準化工作中。

特征:

① 用于分析單粒子投影圖像的新方法已被添加到分類,對比度傳遞函數中校正,角度分配,3D重構,晶體重構等
② 在C ++中的實現,具有良好的記錄數據結構和功能的高度模塊化設計,為新算法的開發提供了便利的環境
③ 封裝擴展了2D晶體和電子斷層掃描數據的功能等

 

IMIRS

IMIRS是一個分布式關系數據庫,用于管理復雜數據集。與關系圖像數據庫集成的高分辨率3D重構包,并將其集成到我們的高分辨率軟件包IMIRS(圖像管理和二十面體重構系統)中。

特征:

① IMIRS包含一套完整的模塊化程序,用于在圖形用戶界面下組織的二十面體重構,并提供用戶友好的選項,逐步數據處理以及自動重構
② 數據管理與IMIRS處理的集成可以自動完成數據管理的繁瑣任務,實現數據一致性,并促進分布式計算機和用戶環境中的信息共享,而不會顯著增加程序執行的時間

 

Spider

SPIDER系統已發展成為圖像處理的綜合工具集,利用VMS和UNIX環境中的現代圖形接口,批處理可視化任務。盡管已經添加了各種其他應用領域,但SPIDER系統的重點仍然是單粒子平均和重構領域。新功能是一組關于對比度傳遞函數的確定,建模和校正以及超文本格式的整個文檔的可用性相關的操作。它是無需結晶的蛋白質三維結構解析技術,重構生物分子的單個粒子的電子顯微圖,用圖像處理軟件進行計算,使用圖形用戶界面(稱為SPIDER重構引擎)進行管理。SPIDER至少需要256 MB內存,但建議每個內核使用2 GB。

特征:

① 單粒子冷凍電鏡(cryo-EM)的最新發展允許近原子分辨率的求解結構
② SPIDER可以有效地使用多個處理器多核心架構
③ SPIDER包含字符串變量和浮點變量以及將數值替換為字符串以創建特定文件名的機制,如連續編號的文件名等
④ SPIDER可以讀取和解釋腳本文件。可以編寫和利用部分嵌套過程的集合來控制復雜任務,例如基于參考的投影對齊
⑤ 可以在SPIDER中執行批處理文件等

 

Sphire

SPHIRE(SPARX高分辨率電子顯微鏡)是一種新穎的開源,用戶友好型軟件套件,用于半自動處理單粒子電子冷凍電鏡(cryo-EM)數據,旨在輕松訪問冷凍電鏡,其明確的目標是通過統計重新采樣進行質量評估和結果再現,幫助沒有廣泛的處理經驗和結構信息的新手用戶獲得其純天然狀態的純化大分子復合物的無噪聲和無偏倚的原子模型。

特征:

① 非常適合冷凍電鏡新手
② 有經驗的用戶可以在高級選項選項卡中找到幾乎所有可能變量的可訪問性,并為非標準處理管道提供透明且易于定制的基于Python的框架
③ 在視覺上吸引人且易于使用的圖形用戶界面(GUI)中,用戶將找到一系列程序,這些程序將指導高分辨率cryo-EM的全部過程

 

VAT4M

VAT4M是冷凍電鏡結構模型及密度圖可視化與分析軟件,旨在為生物學家提供桌面級數據可視化分析平臺,探尋分子結構與功能之間的關系。軟件功能主要包括密度圖和晶體的結構可視化,密度圖的分割,以及晶體結構在密度圖中的匹配。它是一個免費軟件,把體繪制引入該數據的可視化中,研究了基于 GPU 硬件加速的 ray casting 算法,幫助生物學家快速輕松的發現隱藏的數據,在數據分析處理方面,利用了病毒結構的特點,提出了自動分割算法和骨架搜索算法。

特征:

① 密度數據的體繪制功能
② 對密度數據的自動分割功能
③ 智能的分子模型與密度圖的匹配功能

 

AUTO3DEM

Auto3DEM是一種半自動圖像重構系統,提供了處理電子顯微鏡采集的原始顯微照片并生成三維重構的所有工具。諸如方向搜索和重構之類的最密集的計算過程可以在計算機集群上串行或并行地執行。還提供了圖形界面RobEM,用于圖像處理和可視化目的。

特征:

① 是用Perl編寫的,可以在運行UNIX或Linux操作系統的任何機器上使用
② 旨在充分利用并行性,并且可以在任意數量的處理器上運行等

 

ICTISAF

ICTISAF是基于球諧函數的三維重構軟件 ,基于ISAF的單粒子3D重構軟件包,可以從分子的Cryo-EM圖像中獲得分子的高分辨率3D結構。

特征:

① 基于正弦高斯校正和樣條插值的CTF校正模型
② 基于滑動窗口的電鏡照片全局插值算法
③ 密度函數快速計算方法
④ 基于徑向采樣點旋轉角度不變性的快速映射方法
⑤ 基于60對稱性的快速映射方法