Kurzfassung. Prototypen spielen in der medizinischen Bildverarbeitung eine wichtige Rolle, da sie eine schnelle Evaluation eines neu entwickelten Algorithmus erlauben. Hierfu¨r bietet sich die Nutzung einer interpretierten Sprache an, da die Entwicklungszeit, im Vergleich zu kompilierten Sprachen, ku¨rzer ist. Um diese Mo¨glichkeiten auch fu¨r C++ Bibliotheken zu erhalten, ko¨nnen Schnittstellen erzeugt werden mit denen der Zugriff auf Funktionen der Bibliothek, von einer interpretierten Umgebung aus, mo¨glich wird. Es existieren verschiedene Verfahren um automatisch Schnittstellen fu¨r C/C++ Code zu generieren. In diesem Paper wird die Integration eines solchen Verfahrens examplarisch an dem Open-Source Toolkit MITK beschrieben.
Code generieren. In diesem Paper wird die Integration eines generischen
Wrappingverfahrens, beispielhaft am Medical Image and Interaction Toolkit (MITK),
beschrieben, um Teile der Klassen-Bibliothek skriptfa¨hig zu machen und somit
schnelles Prototyping zu ermo¨glichen. Dazu wurde ein automatisiertes Verfahren
gesucht um die Mo¨glichkeit zu bieten einfach und schnell Klassen skriptfa¨hig zu
machen. Als Zielsprache wurde hierbei zuna¨chst die Skriptsprache Python [
MITK [
Um die Funktionen aus der MITK Bibliothek in Python aufrufen zu ko¨nnen, wurden Wrapper erzeugt. Diese bilden Schnittstellen u¨ber die Funktionen aus einer anderen Programmiersprache aufgerufen werden ko¨nnen und enthalten die notwendigen Datentypkonvertierungen. Um Wrapper manuell zu erzeugen muss fu¨r jede Funktion, auf die Zugriff gewa¨hrt werden soll, eine Wrapper Funktion erstellt werden. Hierfu¨r mu¨ssen die notwendigen Typkonvertierungen implementiert, mo¨gliche Fehler abgefangen und teilweise Klassen/Strukturen erweitert werden. Zudem muss die Speicherverwaltung beru¨cksichtigt und Zugriff auf Variablen, Strukturen und Klassen ermo¨glicht werden. Dies ist bei umfangreichen Bibliotheken sehr zeitaufwa¨ndig. Es existieren jedoch verschiedene Verfahren, um Python Schnittstellen automatisch fu¨r C/C++ Code zu generieren. 2.3
Fu¨r die Erzeugung von Python Schnittstellen in MITK wurde CableSWIG [
Mit diesem Wrappingverfahren wurden Wrapperklassen fu¨r den Core Teil von MITK generiert. Dieser besteht aus Klassen die von (nahezu) allen MITK Applikationen beno¨tigt werden. Es handelt sich dabei um Klassen fu¨r die Datenverwaltung, Synchronisation mehrerer Ansichten auf die gleichen Daten, Input und Output verschiedener Bildtypen und Interaktionen. Dabei sollte das Wrappingverfahren mo¨glichst einfach in das CMake Build System integriert werden, damit auch Python Schnittstellen fu¨r neue Klassen auf schnelle und problemlose Weise generiert werden ko¨nnen (Abb. 2). Mit Hilfe von CableSwig wurde das MITK Core Erweiterungsmodul fu¨r Python erzeugt. Die normalen Python Module bestehen aus einer schlichten Textdatei mit Python-Programmanweisungen. Im Gegensatz dazu ist das Erweiterungsmodul ein Shared Object, bzw. eine DLL, Abb. 1. CableSwig Wrappingverfahren.
Abb. 2. MITK Core Wrapping. die eine Initialisierungsfunktion fu¨r Python exportiert. Mit dem Modul besteht nun die Mo¨glichkeit in Python Zugriff auf die MITK Core Klassen zu erhalten, wobei das Erweiterungsmodul als Schnittstelle dient und die notwendigen Wrapper fu¨r die Funktionen der Ausgangsbibliothek entha¨lt. Dabei greift das Modul auf Funktionen der Python C Api zu, welche bei Python standardma¨ßig mitgeliefert wird. Diese API dient C/C++ Programmierern dazu, Erweiterungsmodule zu schreiben oder Python in ihre eigene Applikation einzubinden. Sie bietet beispielsweise Funktionen an, um Python Objekte in C Objekte zu konvertieren und auch umgekehrt. Der Entwickler kann nun die C++ Klassen, die sich im MITK Core befinden, in einer interpretierten Umgebung aufrufen. Dadurch kann er z.B. einen Algorithmus schnell und einfach implementieren und testen, ohne diesen vorher noch kompilieren zu mu¨ssen. Zudem existieren die C++-Klassen bereits als Maschinencode, wodurch die Laufzeitgeschwindigkeit nicht gemindert wird. 3.2
Zur Entwicklung mit Python in MITK wurde ein MITK Python Modul implementiert, welches eine GUI mit Python Konsole (Abb. 3, A) und Skript Editor (Abb. 3, B) liefert. Die Konsole bietet Tab Completion und Texthighlighting. Mit dieser kann der Entwickler interaktiv arbeiten, d.h die eingegebenen Befehle werden sofort ausgefu¨hrt. Dies kann vor allem zum Testen von kleineren Abschnitten des Quelltextes nu¨tzlich sein. Mit dem Skripteditor ist es mo¨glich Skripte zu erstellen, zu speichern und auch wieder zu laden. Der Editor bietet ebenfalls Texthighlighting an. 4
Durch die Integration des CableSwig Wrappingverfahrens in das MITK Build System ist es mo¨glich einfach und schnell Erweiterungsmodule fu¨r Python zu generieren. Das Verfahren ist ein voll automatisierter Prozess, der einen großen Teil der Arbeit u¨bernimmt. Es ist leicht erweiterbar, um weitere Zielsprachen zu nutzen. Durch das MITK Python Modul besteht nun die Mo¨glichkeit interaktiv zu entwickeln, dies ist vor allem bei schnellem Prototyping von Vorteil. Es kann beispielsweise ein Bild geladen, verschiedene Filter daran ausprobiert und angezeigt werden, ohne C++ Code schreiben und kompilieren zu mu¨ssen. Die Laufzeit wird nicht gemindert, da die C++ Algorithmen bereits als Maschinencode vorhanden sind. Es existieren zudem umfangreiche Python Module aus den unterschiedlichsten Bereichen, auch aus der Bildverarbeitung, die der Entwickler einfach importieren und nutzen kann. Nachteilig an dem Wrappingverfahren ist, dass Template Klassen explizit instaziiert werden mu¨ssen. Daneben wird viel Code fu¨r die Wrapper generiert, was insbesondere bei Template Instanziierungen zu einer sehr großen Datei fu¨hren kann. Um die Entwicklung mit Python noch einfacher zu gestalten, ko¨nnte eine GUI zur grafischen Programmierung implementiert werden. Hierdurch ko¨nnte Quelltext anhand von strukturierten
Abb. 3. MITK Python Modul mit Skripteditor (A) und Konsole (B). Modellen erzeugt werden. Auch zur testgetriebenen Entwicklung ko¨nnte Python genutzt werden. Die Python Standardbibliothek stellt zwei Module bereit mit denen Abschnitte des Programms durch automatisierte Testdurchla¨ufe auf Fehler u¨berpru¨ft werden ko¨nnen.