冷冻电镜解决方案 | GPU加速
Relion
Relion是一款支持GPU加速技术的三维重构软件。Relion是一个独立的计算机程序，采用贝叶斯法来细化（多个）3D重构或冷冻电镜中的2D类平均值。
特征：
① 功能丰富，可以直接导入Inference，并且支持功能混合使用
② 支持手动做Motioncorr，可以手动输入相关参数
③ 可以选择特定参数并进行优化，得出更精确的结果
④ 便于保管，可以对每个任务进行分类和名称添加
⑤ 支持Recenter功能，可以提高分辨率
⑥ 能够最大化总体硬件利用率，允许多个CPU内核使用每个GPU
⑦ 具有更快的处理速度，支持从内存直接读取数据，但与硬件配置有关，与GPU的数量和CPU的核数有关，CPU核数不足时，软件会自行报错
⑧ 具有更高效的算法，支持asc18超算
EMAN2
EMAN2是一款透射电子显微镜图像处理软件。它是一个基于广泛的灰度科学图像处理套件，主要侧重于处理来自透射电子显微镜的数据。EMAN的最初目的是以尽可能高的分辨率执行单粒子重构（来自2-D cryo-EM图像的3-D体积模型），但该套件现在还支持单粒子cryo-ET，以及在许多其他子学科中有用的工具例如螺旋重构，二维晶体学和全细胞断层扫描。像EMAN这样的套件中的图像处理不同于像Photoshop这样的消费者图像处理软件包，因为图像中的像素表示为浮点数而不是小的（8-16位）整数。此外，完全避免了图像压缩，并且侧重于定量分析而不是定性图像显示。
特征：
① 所有EMAN2程序（包括GUI程序）都是用易于学习的Python脚本语言编写的。这使得知识渊博的最终用户能够轻松自定义任何代码。即使不是高级用户，也可以使用集成的GUI和所有EMAN2的命令行程序
② EMAN2使用模块化策略并行运行命令，根据具体环境可以选择不同的方式并行运行EMAN2程序
③ 线程 - 这适用于具有多个处理器（核心）或群集的单个节点的单台计算机。EMAN2可以非常有效地使用所有这些内核，但只有在一台计算机上运行时，此模式才有效
④ MPI - 这是当今几乎所有大型集群上使用的标准并行方法。即使使用EMAN2的二进制分发，也需要为特定群集进行少量自定义安装
⑤ 分布式 - 这是为EMAN2开发的原始并行方法。MPI现在更适合集群，而线程则是个人计算机的首选
⑥ --threads选项 - 除了 - parallel之外，某些命令还有--threads选项。有一些命令无法使用--parallel提供的通用多计算机并行性运行。这些命令仍然可以在单个机器上利用多个核心。--threads是单台计算机上可用处理器的数量。当两者都可用时，应该另外指定--parallel
⑦ EMAN2中唯一最新的GPU代码使用支持GPU的Python库，用于粒子拾取，异质性分析和自动断层图分割的新神经网络代码等完全支持GPU的Theano
Frealign
Frealign是一种软件工具，用于处理单分子和复合物的电子显微镜图像，以最高分辨率进行重构，即从单个粒子的cryo-EM图像中对三维重构进行高分辨率细化的程序。它计算和细化从电子显微镜上收集的图像，提供快速准确的投影匹配算法，并计算出大分子组件的三维（3D）结构。其他功能包括显微镜散焦和放大倍数的改进，Ewald球体曲率的校正，螺旋粒子的处理，3D分类和密度掩蔽。此外，还开发了算法和运行脚本以利用并行计算环境来加速处理。
特征：
① 支持GPU加速处理
② 允许使用3D并行化加速因子重构多个CPU
③ 分辨率限制也用于分类和细化
④ 允许处理带有接缝的螺旋状细丝
⑤ 提供了许多细化参数和选项，允许用户调整和细化以实现特定目标
ATOM
ATOM软件是一款使用简单、性能高、成本低、移植性较强的国内首款基于GPU的电子断层三维重构软件，具有很强的科研性和实用性价值。用于包含实质生物结构但没有基准标记的数据集的精确对准模块和嵌入基准标记的数据集的全自动对准模块; 它基于压缩感知理论，利用一种新的迭代重构方法，可以恢复“缺失楔形”，从而具有多种重构方法; 它是多平台加速解决方案，支持更快的迭代代数重构。目前，标记基础对齐和重构ATOM 是最受挑战的模块，而无标记对齐仍然具有数据特征的局限性。ATOM 已经在Red Hat Enterprise 6.4，Cenots 6.5，Ubuntu 14.04和Ubuntu 16.04下构建，其他系统可能不受支持。
特征：
① 实现了二维投影图像对位、确定重构参数、三维重构及二维数据的可视化等功能
② 在二维对位方面采用了迭代的平移旋转对位方法，提高对位精度
③ 在三维重构方面，实现了 GPU 平台上的并行迭代重构算法
④ ATOM 为开源软件，用户可以根据自己的实际需求，添加相应的代码，扩充相应功能
⑤ 包含一个名为bin的新选项，允许对一个卷进行存储，当想要调整算法的参数时，可以更快地看到重构结果
Scipion
Scipion是使用电子显微镜（3DEM）获得大分子复合物的3D模型的图像处理框架。它集成了多个软件包，为生物学家和开发人员提供了统一的界面。Scipion允许执行不同组合软件工具的工作流程，同时处理格式和转换。此外，所有步骤都会被跟踪，以后可以再现。用户可以根据自己的需要自由调用不同软件，定制电镜数据处理流程，无需各软件之间的格式转换，极大的方便了用户使用多种软件处理电镜数据并进行对比分析。
特征：
① SCIPION使用依赖于CUDA 8.0进行GPU加速的软件
② SCIPION可以自动下载获取太大而无法包含在软件中的测试数据集
③ 专门针对需要在结构解析过程的几个关键阶段提供非常精确答案的非专家用户
④ Scipion流实现广泛使用线程,它促进了一种计算形式，其中多个作业同时执行，而不是顺序执行
Motioncor2
MotionCor2校正整个帧上单个像素级别的各向异性图像运动，适用于单个粒子和断层图像。它是能自动采集数据的多GPU加速程序，可以处理各种数据集，包括非常接近焦点或集成时间非常短的数据集，不需要颗粒抛光，显着提高了Thon环质量和3D重构分辨率。MotionCor2是一个集增益校正、检测和校正于一体的综合程序单个和集群的坏像素，剂量加权，并支持MRC和TIFF。
特征：
① 在HPC中运行中请求GPU节点进行互动工作
② 支持批量工作
③ 每个GPU只能在一个MotionCor2进程中使用，MotionCor2可以运行在多个GPU上等
Gautomatch
gautomatch是一个GPU加速程序，用于从具有或不具有模板的冷冻电镜照片中进行准确，快速，灵活和全自动的颗粒采集。
特征：
① 协议提供交互式向导，用于选择粒度和优化阈值
② 默认情况下，程序会自行猜测所有高级参数
③ 单击“ 分析结果”按钮，该按钮将启动Xmipp粒子拾取器窗口并显示每个显微照片的拾取粒子等
cryoSPARC
CryoSPARC是一个集成的平台，用于从单粒子低温EM数据中获取3D结构信息，结合了最先进的算法，高性能的数值实现和精心设计的软件，提高了单粒子cryo-EM工作流的吞吐量。cryoSPARC平台可实现蛋白质，病毒和分子复合物的自动化的高质量和高通量结构发现，用于快速无监督的冷冻电镜结构解析，可以进行由低到高分辨率的快速、自动化的生物大分子结构解析。
特征：
① 能比较好地避免人为给予的模型带来的模型偏向
② 集合了随机梯度下降法和分支界限法，件有性价比极高的处理能力
③ 引入了两个新的算法进行改良，第一个是随机梯度下降法（stochastic gradientdescent，简称SGD），用于快速寻找低分辨率的三维模型，可以从电镜数据上直接搭建初始模型；第二个算法是分支界限最大似然优化法（branch-and-bound maximum likelihood optimization），用于改进颗粒对齐方式，减少冗余计算，从而节约大量计算资源以及加速高分辨率的重构步骤
④ 显微镜数据的预处理，包括全局和局部运动校正，显微镜参数估计，单个显微照片的计算和剔除
⑤ 粒子拾取，排序和分类2D图像以删除低质量信息
⑥ Ab-initio三维结构确定均匀和异质样品，无需事先了解结构或构象
⑦ 通过专门的膜蛋白和难以处理的算法，将3D结构细化到近原子分辨率
⑧ 用于原子建模映射的后处理
Xmipp
Xmipp是（基于X窗口的显微镜图像处理包）一套主要针对单粒子3D电子显微镜的图像处理程序，集成在软件平台Scipion中，主要用于从透射电子显微镜获取的大量投影图像中进行生物样本的3D重构。它是一套全面的图像处理算法，在分析单个粒子时非常重视，尽管它正在向电子断层扫描和X射线断层扫描方向发展。程序使用ANSI-C编写，并使用X-Windows进行图形输出，提供了许多使用PVM和PARMACS的并行扩展。新一代Xmipp经过重新设计，旨在最大限度地提高灵活性和模块性，可能有助于将其集成到该领域的未来标准化工作中。
特征：
① 用于分析单粒子投影图像的新方法已被添加到分类，对比度传递函数中校正，角度分配，3D重构，晶体重构等
② 在C ++中的实现，具有良好的记录数据结构和功能的高度模块化设计，为新算法的开发提供了便利的环境
③ 封装扩展了2D晶体和电子断层扫描数据的功能等
IMIRS
IMIRS是一个分布式关系数据库，用于管理复杂数据集。与关系图像数据库集成的高分辨率3D重构包，并将其集成到我们的高分辨率软件包IMIRS（图像管理和二十面体重构系统）中。
特征：
① IMIRS包含一套完整的模块化程序，用于在图形用户界面下组织的二十面体重构，并提供用户友好的选项，逐步数据处理以及自动重构
② 数据管理与IMIRS处理的集成可以自动完成数据管理的繁琐任务，实现数据一致性，并促进分布式计算机和用户环境中的信息共享，而不会显着增加程序执行的时间
Spider
SPIDER系统已发展成为图像处理的综合工具集，利用VMS和UNIX环境中的现代图形接口，批处理可视化任务。尽管已经添加了各种其他应用领域，但SPIDER系统的重点仍然是单粒子平均和重构领域。新功能是一组关于对比度传递函数的确定，建模和校正以及超文本格式的整个文档的可用性相关的操作。它是无需结晶的蛋白质三维结构解析技术，重构生物分子的单个粒子的电子显微图，用图像处理软件进行计算，使用图形用户界面(称为SPIDER重构引擎)进行管理。SPIDER至少需要256 MB内存，但建议每个内核使用2 GB。
特征：
① 单粒子冷冻电镜（cryo-EM）的最新发展允许近原子分辨率的求解结构
② SPIDER可以有效地使用多个处理器多核心架构
③ SPIDER包含字符串变量和浮点变量以及将数值替换为字符串以创建特定文件名的机制，如连续编号的文件名等
④ SPIDER可以读取和解释脚本文件。可以编写和利用部分嵌套过程的集合来控制复杂任务，例如基于参考的投影对齐
⑤ 可以在SPIDER中执行批处理文件等
Sphire
SPHIRE（SPARX高分辨率电子显微镜）是一种新颖的开源，用户友好型软件套件，用于半自动处理单粒子电子冷冻电镜（cryo-EM）数据，旨在轻松访问冷冻电镜，其明确的目标是通过统计重新采样进行质量评估和结果再现，帮助没有广泛的处理经验和结构信息的新手用户获得其纯天然状态的纯化大分子复合物的无噪声和无偏倚的原子模型。
特征：
① 非常适合冷冻电镜新手
② 有经验的用户可以在高级选项选项卡中找到几乎所有可能变量的可访问性，并为非标准处理管道提供透明且易于定制的基于Python的框架
③ 在视觉上吸引人且易于使用的图形用户界面（GUI）中，用户将找到一系列程序，这些程序将指导高分辨率cryo-EM的全部过程
VAT4M
VAT4M是冷冻电镜结构模型及密度图可视化与分析软件，旨在为生物学家提供桌面级数据可视化分析平台，探寻分子结构与功能之间的关系。软件功能主要包括密度图和晶体的结构可视化，密度图的分割，以及晶体结构在密度图中的匹配。它是一个免费软件，把体绘制引入该数据的可视化中,研究了基于 GPU 硬件加速的 ray casting 算法,帮助生物学家快速轻松的发现隐藏的数据，在数据分析处理方面,利用了病毒结构的特点,提出了自动分割算法和骨架搜索算法。
特征：
① 密度数据的体绘制功能
② 对密度数据的自动分割功能
③ 智能的分子模型与密度图的匹配功能
AUTO3DEM
Auto3DEM是一种半自动图像重构系统，提供了处理电子显微镜采集的原始显微照片并生成三维重构的所有工具。诸如方向搜索和重构之类的最密集的计算过程可以在计算机集群上串行或并行地执行。还提供了图形界面RobEM，用于图像处理和可视化目的。
特征：
① 是用Perl编写的，可以在运行UNIX或Linux操作系统的任何机器上使用
② 旨在充分利用并行性，并且可以在任意数量的处理器上运行等
ICTISAF
ICTISAF是基于球谐函数的三维重构软件 ，基于ISAF的单粒子3D重构软件包，可以从分子的Cryo-EM图像中获得分子的高分辨率3D结构。
特征：
① 基于正弦高斯校正和样条插值的CTF校正模型
② 基于滑动窗口的电镜照片全局插值算法
③ 密度函数快速计算方法
④ 基于径向采样点旋转角度不变性的快速映射方法
⑤ 基于60对称性的快速映射方法