Informatica. Lezione VIII. Visualizzazione 3D A.A. 2010/11 SSCTA. 1 Lezione VIII Immagini 3D

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1 Informatica Lezione VIII Visualizzazione 3D 1 Lezione VIII

2 Visualizzazioni 3D Rappresentazione di strutture/oggetti tridimensionali Risultato di un esperimento proteine osservate ai raggi X, o al TEM modello teorico proteine ipotizzate dalla sequenza primaria dati fisici Tac, NMR, Dati astratti sistemi di equazioni 2 Lezione VIII

3 Che tipo di dati In realtà siamo almeno in 4 dimensioni punti in uno spazio tridimensionale ciascuno con suo valore di densità Noi siamo abituati e vedere l esterno di oggetti tridimensionali Se pensiamo al nostro corpo sappiamo che sotto la pelle abbiamo muscoli, organi, apparati vari, anche essi tridimensionali e con diversi attributi Il nostro corpo racchiude diverse componenti che per essere osservate vanno fatte emergere scoprendo la parte che le avvolge e le nasconde 3 Lezione VIII

4 A cosa serve Osservare la struttura da diverse angoli rotazioni ingrandimenti penetrare nella struttura rappresentare l interno osservare parti diverse tessuti/ossa - nuvola elettronica/nuclei osservare condizioni diverse NMR con e senza mezzo di contrasto diverse modellizzazioni della realtà 4 Lezione VIII

5 Tipi di dato Array 3D di punti (matrice 3D di voxel) es. output di una TAC a spirale Corrisponde ad uno stack di immagini insieme di vettori es. molecola caratterizzata da atomi e legami chimici I dati sono espressi mediante funzioni analitiche 5 Lezione VIII

6 Matrice di voxel Insieme di valori: M(i,j,k) Analogo 3D di un immagine 6 Lezione VIII

7 Dati vettoriali Rappresentazione a ball and stick Uso di: Sfere Cilindri 7 Lezione VIII

8 Tecniche di rappresentazione Sezioni mobili volume rendering ray tracing surface rendering dipendente dalle schede grafiche 8 Lezione VIII

9 Sezioni mobili Vengono visualizzate sezioni all interno del volume Molto veloce non altera i dati E possibile ruotare il volume Traslarlo Avvicinare o allontanare l oggetto Di norma le sezioni sono parallele alle facce del volume che coincide con un parallelepipedo E possibile anche rappresentare sezioni oblique Richiede interpolazione 9 Lezione VIII

10 Sezioni mobili Esempio su dati di una TAC Dati: matrice 512x512x Lezione VIII

11 Ray-tracing L immagine e calcolata punto per punto ricostruendo a ritroso la traiettoria di ogni raggio incidente sul pixel 11 Lezione VIII

12 Ray tracing Il colore del pixel risultante è determinato dalla somma di tutti i contributi dei voxel del volume attraversati dal raggio Per ogni voxel del volume è stato precedentemente definito un valore di opacità Lo stesso volume può essere rappresentato usando soglie di opacità differenti Il colore da rappresentare per ogni grado di opacità può essere definito dall utente Gestione delle sorgenti luminose Non necessita di hardware dedicato Ma può essere utile Capacità di gestire grandi quantità di dati 12 Lezione VIII

13 Ray tracing Esempio su dati di una TAC; dati: matrice 512x512x Lezione VIII

14 Surface rendering Scopo della procedura è rappresentare una superficie ideale che delimita valori di densità superiori ad una data soglia. La soglia delimitante deve essere compresa nel range di valore dei voxel. La superficie ripartisce il volume in due porzioni contenenti voxel di valore superiore o inferiore alla soglia. La superficie viene calcolata tenendo conto dei punti dove interseca la griglia 3D che definisce i voxel. Il problema del tracciamento è quindi ricondotto a congiungere in modo opportuno i punti sulla griglia Una volta disegnata la superficie, l informazione sui voxel viene persa. 14 Lezione VIII

15 Chaperonina GroEL Grande proteina del peso di qualche milione di Dalton Mappa 3D 64x64x64 1 voxel= 3.5 Å 15 Lezione VIII

16 Surface rendering Viene creata una isosuperficie a maglie triangolari I triangoli sono rappresentati tenendo conto dell angolo di vista La superficie è smussata eliminando la traccia dei triangoli 16 Lezione VIII

17 Effetto della soglia All aumentare della soglia la superficie include un volume via via più piccolo 17 Lezione VIII

18 Surface rendering Il calcolo della superficie può essere complesso Una volta calcolati, la gestione dei triangoli viene gestita direttamente dalla scheda grafica o per emulazione software Open GL Consente di gestire le fonti di illuminazione Definire le proprietà dei materiali Colore Opacità/semitrasparenza Riflettività 18 Lezione VIII

19 Surface rendering Esempio sui dati TAC Soglia a livello pelle soglia a livello osseo 19 Lezione VIII

20 Dati vettoriali L oggetto è descritto da un insieme di punti/vettori/superfici regolari noti per via analitica Il problema è ricondotto a disegnare figure geometriche con le regole della prospettiva Si possono applicare le metodologie del surface rendering o del ray tracing Velocità e qualità dipendenti dall hardware 20 Lezione VIII

21 Visualizzazione di modelli Molecola N atomi coordinate x,y,z Tipi di atomi La molecola possiede una specifica conformazione tridimensionale Distanze ed angoli. Sta a noi scegliere come rappresentare gli atomi 21 Lezione VIII

22 Rasmol ( Non richiede GL Windows/Mac/Linux qualche problema con Vista, ma superabile VMD university of Illinois ( earch/vmd/) richiede GL Chimera UCSF (University of California San Francisco) Programmi liberi Dati Vettoriali Canale del potassio visualizzato con Chimera 22 Lezione VIII

23 Actina Chimera VMD Rasmol 23 Lezione VIII

24 Finestre di Rasmol Finestra a caratteri per introdurre comandi più complessi Finestra di visualizzazione e comandi via mause 24 Lezione VIII

25 Finestra della guida 25 Lezione VIII

26 Command reference Questi comandi vanno scritti esplicitamente nella finestra a caratteri 26 Lezione VIII

27 Ciascun comando ha una sintassi 27 Lezione VIII

28 Modello wire-frame aspirina CH 3 COOC 6 H 4 COOH rappresentiamo le connessioni 28 Lezione VIII

29 Modello stick o stick-and-ball 29 Lezione VIII

30 Modello space-fill Viene disegnato l inviluppo delle sfere dei raggi atomici effettiva forma della molecola 30 Lezione VIII

31 Uso del colore Per convenzione si usano colori per distinguere i vari atomi Ossigeno rosso idrogeno bianco Carbonio grigio (in origine nero) Azoto azzurro Zolfo giallo Fosforo arancio Cloro verde Sodio blu Sono comunque ridefinibile dall utente 31 Lezione VIII

32 Filosofia di Rasmol Per modificare una parte della struttura Un tipo di atomo Un tipo di aminoacido Un certo residuo Selezionare l elemento Comando select dalla finestra a caratteri Select carbon Select oxygen Da questo momento in poi i comandi agiscono solo sulla parte selezionata Color Space-fill Per azzerare la selezione: select all 32 Lezione VIII

33 Informazione contenuta Il file dei dati deve contenere informazioni su: coordinate atomiche Tipo di atomo tipo di amminoacido caratteristiche chimico-fisiche struttura secondaria numero di catene 33 Lezione VIII

34 File PDB File di tipo testo (apribile da un editor) Derivato dai formati testo per fortran, ogni riga contiene record di 80 colonne con campi in posizioni definite Tipi di record Atom (tipo di atomo e coordinate) Helix Sheet Author Source (origine della molecola) Cryst1 (informazioni cristallografiche) 34 Lezione VIII

35 File PDB esempio COMPND ACETYLSALICYLIC ACID, ASPIRIN, ASA AUTHOR DAVE WOODCOCK ATOM 1 C ATOM 2 C ATOM 3 C ATOM 4 C ATOM 5 C ATOM Numero 6 C progressivo 1 dell atomo ATOM 7 C ATOM 8 O ATOM 9 O ATOM 10 O Coordinate atomiche (Å) ATOM 11 C ATOM 12 O ATOM 13 C Tipo di atomo ATOM 14 H ATOM 15 H (andrebbe 1 scritto alla fine della riga) ATOM 16 H ATOM 17 H ATOM 18 H ATOM 19 H ATOM 20 H ATOM 21 H TER 22 1 END Riga do 80 caratteri 35 Lezione VIII

36 File PDB Ogni record contiene informazioni in un proprio formato 1-6 Record name "ATOM " 7-11 Integer serial Atom serial number Atom name Atom name. 17 Character altloc Alternate location indicator Residue name resname Residue name. 22 Character chainid Chain identifier Integer resseq Residue sequence number. 27 AChar icode Code for insertion of residues Real(8.3) x Orthogonal coordinates for X in Angstroms Real(8.3) y Orthogonal coordinates for Y in Angstroms Real(8.3) z Orthogonal coordinates for Z in Angstroms Real(6.2) occupancy Occupancy Real(6.2) tempfactor Temperature factor LString(4) segid Segment identifier, left-ustified LString(2) element Element symbol, right-justified LString(2) charge Charge on the atom. 36 Lezione VIII

37 Pixmap VS immagini vettoriali Lo zoom di una pixmap richiede interpolazione dei pixel Lo zoom di un immagine vettoriale no Anche le immagini con testi spesso sono costruite tramite definizioni vettoriali dei font Conviene salvare le immagini vettoriali alla dimensione finale desiderata Ingrandimenti successivi peggiorano la qualità Ma anche riduzioni successive possono far svanire le righe sottili. 37 Lezione VIII

38 Esempi di zoom Zoom x 3 fatto con rasmol Zoom x 3 fatto con dell immagine salvata in precedenza 38 Lezione VIII

39 Riduzioni Riduzione 50% pixmap Riduzione 50% vettoriale Immagine originale 39 Lezione VIII