circlize 之 Graphics

circlize 之 Graphics

我们可以给环形图添加低级的图形，这些图形参数和 points()，lines()等基础函数用法类似，因此我们可以生成复杂的图形，所有的低级图形函数都接受 sector.index，track.index 两个参数来指定在具体的单元格添加图形，推荐在 panel.fun 函数里使用，当然也可以在其它地方使用，当年指定好具体的单元格后。

circos.track(..., panel.fun = function(x, y) {
    circos.points(x, y)
})
circos.points(x, y, sector.index, track.index)

1、设置颜色

colorRamp2()函数可以生成一系列连续的颜色：

col_fun = colorRamp2(c(-2, 0, 2), c("blue", "white", "red"))
# all the values smaller than -2 are all mapped to blue
col_fun(seq(-5, 1, by = 1))
## [1] "#0000FFFF" "#0000FFFF" "#0000FFFF" "#0000FFFF" "#B38BFFFF" "#FFFFFFFF"
## [7] "#FF9E81FF"

rand_color()随机生成指定色系的颜色：

par(mar = c(1, 1, 1, 1))
plot(NULL, xlim = c(1, 10), ylim = c(1, 8), axes = FALSE, ann = FALSE)
points(1:10, rep(1, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, luminosity = "random"))
points(1:10, rep(2, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, luminosity = "bright"))
points(1:10, rep(3, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, luminosity = "light"))
points(1:10, rep(4, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, luminosity = "dark"))
points(1:10, rep(5, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, hue = "red", luminosity = "bright"))
points(1:10, rep(6, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, hue = "green", luminosity = "bright"))
points(1:10, rep(7, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, hue = "blue", luminosity = "bright"))
points(1:10, rep(8, 10), pch = 16, cex = 5,
    col = rand_color(10, hue = "monochrome", luminosity = "bright"))

2、点

circos.points()添加点类似于 points()函数：

circos.points(x, y)
circos.points(x, y, sector.index, track.index)
circos.points(x, y, pch, col, cex)

有一个配套函数 circos.trackPoints()，它可以同时向同一轨道上的所有扇区添加点。circos.trackPoints()的输入必须包含一个分类因子向量、一个 x 值向量和一个 y 值向量。X 值和 y 值被分类变量分割，x 和 y 值的相应子集数据在内部发送给 circos.points() 。默认情况下，circos.trackPoints() 将点添加到当前轨道中，这是最近创建的轨道。其他轨道也可以通过明确设置 track.index。

circos.track(...)
circos.trackPoints(sectors, x, y)

circos.trackPoints()是通过 for 循环的 circos.points()实现的。但是，更推荐直接使用 circos.points()和 panel.fun，这提供了更大的灵活性。下面的代码实际上与上面的代码相同。

circos.track(sectors, x, y, panel.fun = function(x, y) {
    circos.points(x, y)
})

其他低级函数也有相应的 circos.track*() 函数。它的用法与 circos.trackPoints()相同。

3、线

通过 circos.lines()添加行类似于 lines()函数。另外一个特性是，可以通过将 area 参数指定为 TRUE 来填充行下面或上面的区域。基线（baseline）的位置可以设置为预定义字符串 bottom 或 top，或 y 轴上的位置的数值向量。当 area 设置为 TRUE 时，col 控制填充颜色，border 控制边框颜色。

当 lty 设置为’h’时，baseline 基线参数也可以设置，此时 col 参数向量的长度应该 x 相等。

以下是相关参数设置的样式：

直线的转换：

用法示例：

circos.lines(x, y)
circos.lines(x, y, sector.index, track.index)
circos.lines(x, y, col, lwd, lty, type, straight)
circos.lines(x, y, col, area, baseline, border)

4、线段

线段可以通过 circos.segments()函数添加。其用法类似于 segments()。可以通过直接设置为 straight 为 TRUE 来添加径向线段：

circos.segments(x0, y0, x1, y1)
circos.segments(x0, y0, x1, y1, straight)

circos.initialize(letters[1:8], xlim = c(0, 1))
circos.track(ylim = c(0, 1), track.height = 0.3, panel.fun = function(x, y) {
    x = seq(0.2, 0.8, by = 0.2)
    y = seq(0.2, 0.8, by = 0.2)

    circos.segments(x, 0.1, x, 0.9)
    circos.segments(0.1, y, 0.9, y)
})
circos.clear()

5、文本

通过 circos.text()添加文本类似于 text()函数。当把文字放在图上时，文字的朝向是非常重要的。text()支持七个面向选项：inside, outside, clockwise, reverse.clockwise, downward, bending.inside 和 bending.outside。bending.inside 和 bending.outside 只能添加单行文字，如果想添加多行，则使用 circos.text()分别添加：

circos.text() 用法：

circos.text(x, y, labels)
circos.text(x, y, labels, sector.index, track.index)
circos.text(x, y, labels, facing, niceFacing, adj, cex, col, font)

为了使文本更容易阅读，circos.text()提供了 niceFacing 选项，根据他们在圆圈中的位置自动调整文本的朝向。niceFacing 只适用于inside, outside, clockwise, reverse.clockwise, bending.inside 和 bending.outside。

打开 niceFacing 时，adj 也会根据相应的 facing 进行调整：

adj 参数可以水平和竖直地调整文字的位置，也可以通过角度的旋转进行偏移调整：

circos.text(x, y, labels, adj = c(0, degree(5)), facing = "clockwise")
circos.text(x + mm_x(2), y + mm_y(2), labels)

6、矩形和多边形

使用示例：

circos.rect(xleft, ybottom, xright, ytop)
circos.rect(xleft, ybottom, xright, ytop, sector.index, track.index)
circos.rect(xleft, ybottom, xright, ytop, col, border, lty, lwd)

circos.polygon(x, y)
circos.polygon(x, y, col, border, lty, lwd)

7、坐标轴

通常，我们只在圆上画 x 轴。circos.axis()或 circos.xaxis()提供了自定义在圆形方向上的 x 轴的选项。它支持 axis()等基本功能，比如定义断点和相应的标签。除此之外，该函数还支持将 x 轴放在 y 方向上的指定位置，将 x 轴对准圆心或外，并自定义轴刻度。可以将 at 和 labels 参数设置为一个长向量，使超过相应单元格中的最大值的部分自动删除，标签文本的外观可以通过 labels.niceFacing 优化，默认为 TRUE。

• a： 主要自动计算刻度，其他设置为默认值。
• b： 刻度是指向圆圈内的，刻度标签的面是指向圆圈外的。
• c： x 轴位置在单元格的底部。
• d： 刻度指向圆圈的内侧，刻度标签朝向逆时针方向。
• e： 手动设置主要刻度，设置 x 轴位置。
• f： 将数字标签替换为字符，没有小刻度。
• g： 没有刻度，刻度标签朝向逆时针方向。
• h： 两个主要刻度之间的次要刻度设置为 2，刻度的长度更长，刻度标签朝向顺时针方向。

示例：

circos.axis(h)
circos.axis(h, sector.index, track.index)
circos.axis(h, major.at, labels, major.tick, direction)
circos.axis(h, major.at, labels, major.tick, labels.font, labels.cex,
            labels.facing, labels.niceFacing)
circos.axis(h, major.at, labels, major.tick, minor.ticks,
            major.tick.length, lwd)

Y 轴也由 circos.yaxis()支持。用法与 circos.axis()需要注意的一件事是用户需要手动在 circos.par()里调整 gap.degree/gap.after 以确保 y-axes 有足够的空间。

circos.yaxis(side) # break values are automatically calculated
circos.yaxis(side, at, labels, sector.index, track.index)

8、条形图、箱型图和小提琴图

绘制柱形图和堆叠柱形图：

par(mfrow = c(1, 2))
circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 10))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    value = runif(10)
    circos.barplot(value, 1:10 - 0.5, col = 1:10)
})
circos.track(ylim = c(-1, 1), panel.fun = function(x, y) {
    value = runif(10, min = -1, max = 1)
    circos.barplot(value, 1:10 - 0.5, col = ifelse(value > 0, 2, 3))
})
circos.clear()
# 堆叠柱形图
circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 10))
circos.track(ylim = c(0, 4), panel.fun = function(x, y) {
    value = matrix(runif(10*4), ncol = 4)
    circos.barplot(value, 1:10 - 0.5, col = 2:5)
})
circos.clear()

箱线图可以依次绘制（每个箱线图一个对应的向量）也可以一起绘制（list 或 matrix）：

# 依次绘制
par(mfrow = c(1, 2))
circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 10))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    for(pos in seq(0.5, 9.5, by = 1)) {
        value = runif(10)
        circos.boxplot(value, pos)
    }
})
circos.clear()
# 同时绘制
circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 10))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    value = replicate(runif(10), n = 10, simplify = FALSE)
    circos.boxplot(value, 1:10 - 0.5, col = 1:10)
})
circos.clear()

小提琴图：

par(mfrow = c(1, 2))
circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 10))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    for(pos in seq(0.5, 9.5, by = 1)) {
        value = runif(10)
        circos.violin(value, pos)
    }
})
circos.clear()

circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 10))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    value = replicate(runif(10), n = 10, simplify = FALSE)
    circos.violin(value, 1:10 - 0.5, col = 1:10)
})
circos.clear()

9、环形箭头

circos.arrow()绘制与圆形平行的圆形箭头。由于箭头始终平行于圆，所以在 x 方向上需要定义箭头的起始位置和结束位置，在 y 方向上只需要定义箭头中心的位置。

width 控制箭头的宽度，由 x2 – x1 决定，arrow.head.width 和 arrow.head.length 控制箭头的大小，tail 控制箭头尾巴的形状。width, arrow.head.width and arrow.head.length 可以由 mm_x(), mm_y()设置。如果用户想在相反的方向绘制箭头，设置 arrow.position 参数为 start。

par(mfrow = c(1, 2))
circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 1))
col = rand_color(4)
tail = c("point", "normal", "point", "normal")
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    circos.arrow(x1 = 0, x2 = 1, y = 0.5, width = 0.4,
        arrow.head.width = 0.6, arrow.head.length = cm_x(1),
        col = col[CELL_META$sector.numeric.index],
        tail = tail[CELL_META$sector.numeric.index])
}, bg.border = NA, track.height = 0.4)
circos.clear()

circos.initialize(letters[1:4], xlim = c(0, 1))
tail = c("point", "normal", "point", "normal")
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    circos.arrow(x1 = 0, x2 = 1, y = 0.5, width = 0.4,
        arrow.head.width = 0.6, arrow.head.length = cm_x(1),
        col = col[CELL_META$sector.numeric.index],
        tail = tail[CELL_META$sector.numeric.index],
        arrow.position = "start")
}, bg.border = NA, track.height = 0.4)
circos.clear()

圆形箭头也可以用来显示圆形基因组中的基因，箭头代表基因的方向，如线粒体基因组或质粒基因组：

cell_cycle = data.frame(phase = factor(c("G1", "S", "G2", "M"), levels = c("G1", "S", "G2", "M")),
                        hour = c(11, 8, 4, 1))
color = c("#66C2A5", "#FC8D62", "#8DA0CB", "#E78AC3")
circos.par(start.degree = 90)
circos.initialize(cell_cycle$phase, xlim = cbind(rep(0, 4), cell_cycle$hour))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    circos.arrow(CELL_META$xlim[1], CELL_META$xlim[2],
        arrow.head.width = CELL_META$yrange*0.8, arrow.head.length = cm_x(0.5),
        col = color[CELL_META$sector.numeric.index])
    circos.text(CELL_META$xcenter, CELL_META$ycenter, CELL_META$sector.index,
        facing = "downward")
    circos.axis(h = 1, major.at = seq(0, round(CELL_META$xlim[2])), minor.ticks = 1,
        labels.cex = 0.6)
}, bg.border = NA, track.height = 0.3)
circos.clear()

10、连接

连接或带状连接是圆形可视化的重要组成部分。它们用于表示位置之间的相互关系。在 circlize 中，circos.link()绘制单点和间隔之间的连接。至少需个必须参数，两个扇区索引和两个对应需要连接的位置。

使用示例：

# 两个单点点连接
circos.link(sector.index1, 0, sector.index2, 0)
# 间隔区和一个单点连接
circos.link(sector.index1, c(0, 1), sector.index2, 0)
# 两个间隔区的连接
circos.link(sector.index1, c(0, 1), sector.index2, c(1, 2))
# 其它参数
circos.link(sector.index1, c(0, 1), sector.index2, 0, col, lwd, lty, border)

h 控制连接的高度，在某些极端的条件下，如两个需要连接的位置靠的太近，带状连接就会出现一些问题，这时可以调整 h 参数来合理显示：

circos.link(sector.index1, 0, sector.index2, 0, h)
circos.link(sector.index1, 0, sector.index2, 0, h, h2)

当连接数量过多时，可以使用 h.ratio 参数一起调整：

通过 w、w2 控制连接的形状：

circos.link(sector.index1, 0, sector.index2, 0, w)
circos.link(sector.index1, 0, sector.index2, 0, w, w2)

连接可以用箭头表示方向。direction 参数控制如何添加箭头。0 表示没有方向，1 表示从端 1 到端 2，-1 表示从端 2 到端 1,2 表示双向。如果连接表示为带状，则会在连接的中心添加一条带箭头的线来表示方向。

circos.link(sector.index1, 0, sector.index2, 0, directional = 1)
circos.link(sector.index1, c(0, 1), sector.index2, c(0, 1), directional = -1)

11、突出扇区和轨道

draw.sector()绘制扇区、环或其它部分。如果你想突出显示环图的某些部分，此函数非常有用。它需要圆心的位置参数（默认为 c(0,0)），扇区的起始角度和结束角度，默认是顺时针方向，以及两条边(或一条边)的半径，它们是上边界或下边界。

参数示例：

draw.sector(start.degree, end.degree, rou1)
draw.sector(start.degree, end.degree, rou1, rou2, center)
draw.sector(start.degree, end.degree, rou1, rou2, center, col, border, lwd, lty)

par(mar = c(1, 1, 1, 1))
plot(c(-1, 1), c(-1, 1), type = "n", axes = FALSE, ann = FALSE, asp = 1)
draw.sector(20, 0)
draw.sector(30, 60, rou1 = 0.8, rou2 = 0.5, clock.wise = FALSE, col = "#FF000080")
draw.sector(350, 1000, col = "#00FF0080", border = NA)
draw.sector(0, 180, rou1 = 0.25, center = c(-0.5, 0.5), border = 2, lwd = 2, lty = 2)
draw.sector(0, 360, rou1 = 0.7, rou2 = 0.6, col = "#0000FF80")

我们还可以使用 get.cell.meta.data()来获取单元格的位置信息。例如，起始角度和结束角度可以通过 cell.start.degree 和 cell.end.degree 得到，上边框和下边框的位置可以通过 cell.top.radius 和 cell.bottom.radius 得到。下面的代码显示了几个突出显示扇区和轨道的示例：

sectors = letters[1:8]
circos.initialize(sectors, xlim = c(0, 1))
for(i in 1:3) {
    circos.track(ylim = c(0, 1))
}
circos.info(plot = TRUE)

突出 a 扇形区：

draw.sector(get.cell.meta.data("cell.start.degree", sector.index = "a"),
            get.cell.meta.data("cell.end.degree", sector.index = "a"),
            rou1 = get.cell.meta.data("cell.top.radius", track.index = 1),
            col = "#FF000040")

突出轨道 1：

draw.sector(0, 360,
    rou1 = get.cell.meta.data("cell.top.radius", track.index = 1),
    rou2 = get.cell.meta.data("cell.bottom.radius", track.index = 1),
    col = "#00FF0040")

突出轨道 2 和 3 的扇区 e 和 f：

draw.sector(get.cell.meta.data("cell.start.degree", sector.index = "e"),
            get.cell.meta.data("cell.end.degree", sector.index = "f"),
            rou1 = get.cell.meta.data("cell.top.radius", track.index = 2),
            rou2 = get.cell.meta.data("cell.bottom.radius", track.index = 3),
            col = "#0000FF40")

如果我们想突出显示特定区域，比如单元格 h:2 中的一个小区域，我们可以使用 circle()来计算极坐标中的位置。但是要记住，单元格中的 x 轴总是顺时钟的：

pos = circlize(c(0.2, 0.8), c(0.2, 0.8), sector.index = "h", track.index = 2)
draw.sector(pos[1, "theta"], pos[2, "theta"], pos[1, "rou"], pos[2, "rou"],
    clock.wise = TRUE, col = "#00FFFF40")
circos.clear()

如果目的只是简单地突出显示完整单元格，那么有一个函数 highlight.sector()，只需要为要突出显示的扇区和轨道指定索引。高亮显示区域的填充可以通过 padding 参数设置，padding 参数应该包含四个值，表示高亮显示区域的宽或高的比率。

highlight.sector()的一个优点是它支持在突出显示的区域中添加文本。默认情况下，文本绘制在高亮区域的中心。可以通过 text.vjust 设置在纵向上的距离，可以是字符串或者数值：”2 inches” 或 “-1.2cm”。

sectors = letters[1:8]
circos.initialize(sectors, xlim = c(0, 1))
for(i in 1:4) {
    circos.track(ylim = c(0, 1))
}
circos.info(plot = TRUE)

highlight.sector(c("a", "h"), track.index = 1, text = "a and h belong to a same group",
    facing = "bending.inside", niceFacing = TRUE, text.vjust = "6mm", cex = 0.8)
highlight.sector("c", col = "#00FF0040")
highlight.sector("d", col = NA, border = "red", lwd = 2)
highlight.sector("e", col = "#0000FF40", track.index = c(2, 3))
highlight.sector(c("f", "g"), col = NA, border = "green",
    lwd = 2, track.index = c(2, 3), padding = c(0.1, 0.1, 0.1, 0.1))
highlight.sector(sectors, col = "#FFFF0040", track.index = 4)
circos.clear()

12、和基础图形系统联用

sectors = letters[1:4]
circos.initialize(sectors, xlim = c(0, 1))
circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {
    circos.points(1:20/20, 1:20/20)
})
text(0, 0, "This isnthe center", cex = 1.5)
legend("bottomleft", pch = 1, legend = "This is the legend")
title("This is the title")
circos.clear()