Praktikum Medizinische Bildverarbeitung in C# ... - Bernd Radig

Praktikum Medizinische Bildverarbeitung in C#:
„Volume-Rendering“
Technische Universität München / Lehrstuhl Informatik IX SS 2005
Dr. Michael Roth Prof. Dr. Bernd Radig
Aufgabe 1
Blatt 1
Erstellen Sie ein erstes kleines C#-Programm, welches den Text „Hello World!“ auf
einer Konsole ausgibt. Folgen Sie dabei Schritt für Schritt den folgenden
Anweisungen:
1. Erzeugen Sie innerhalb der SharpDevelop-Umgebung eine neues Projekt vom
Typ „Leere C# Konsolenanwendung“ mit dem Name VolumeRendering.
2. Fügen Sie dem Projekt eine Datei "VolumeRendering.cs" hinzu.
3. Teilen Sie dem Compiler mit, dass Sie den Namensraum (engl. namespace)
"System" verwenden möchten. Die Syntax hierfür ist using ; 1
4. Definieren Sie innerhalb der Datei die Klasse VolumeRendering.
5. Definieren Sie innerhalb dieser Klasse eine Methode mit der folgenden
Signatur:
static public void Main() { }
6. Die Ausgabe auf der Konsole geschieht durch die Methode
Console.WriteLine( );
7. Kompilieren sie das Programm und führen Sie es aus.
Was sind Namensräume?
C# ist ein Nachfolger zu Java und C++ und hat deshalb auch weitestgehend ähnliche Konstrukte zu
diesen Programmiersprachen. Das "Hello-World"-Programm dieser Aufgabe sieht seinem Java-Pedant
sehr ähnlich. C# nennt seine Packages jedoch Namensräume/Namespaces und lässt seine C++-Wurzeln
durchschimmern, indem es das Schlüsselwort using statt import (wie in Java) verwendet.
Namesräume enthalten eine Menge von vordefinierten Klassen oder auch geschachtelt weitere
Namensräume. Der Namensraum System enthält z.B. die Klasse Console. Durch die Angabe von
using System; können wir bequem Console.WriteLine() statt dem vollqualifizierten Namen
System.Console.WriteLine() schreiben.
Wieviele Klassen können in einer Datei stehen?
Anders als Java erlaubt C# auch mehrere (nicht geschachtelte) Klassen pro Datei und folglich muss auch
der Klassenname nicht mit dem Dateinamen übereinstimmen. Im Laufe dieses Praktikums wird allerdings
die Konvention und schöne Sitte "Eine Klasse pro Datei" und "Dateiname gleich .cs"
eingehalten.
1 Die spitzen Klammern kennzeichnen hier und im weiteren Verlauf des Praktikums einen variablen
Teil innerhalb eines Syntaxbeispiels. Man muss also using System ; und nicht using ;
schreiben.
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Aufgabe 2
In dieser Aufgabe soll nun Ihr Programm aus Aufgabe 1 auf folgende Weise erweitert
werden:
• Öffnen Sie ein Fenster der Größe 640 x 480 Pixel (Bildpunkte)
• Der Titel des Fensters soll "VolumeRendering Praktikum" lauten.
Wie öffnet man ein Fenster?
Die einfachste Art ein Fenster zu öffnen, ist die Klasse VolumeRendering von der Klasse Form aus
dem Namensraum System.Windows.Forms abzuleiten. Ein Form-Objekt stellt ein vollständiges
Fenster mit Titelleiste auf der Arbeitsfläche dar.
Die C#-Syntax für das Ableiten einer Klasse lehnt sich an C++ an und lautet:
class :
{
}
Im Konstruktor von VolumeRendering können Fenstereigenschaften wie die Größe oder die Position
verändert werden. Die Syntax für einen Konstruktor ist analog zu Java/C++. Nach der Abarbeitung des
Konstruktors von VolumeRendering ist der Form für den Benutzer sichtbar und betriebsbereit.
Wie kann man Eigenschaften wie Größe oder Titel eines Fensters ändern?
Klassen können in C# so genannte Properties (dt. Eigenschaften) enthalten, von denen wir im Laufe
des Praktikums noch sehr viel mehr hören werden. Die wichtigsten Properties der Klasse Form für
diese Aufgabe lauten ClientSize für die Fenstergröße und Text für den Titel des Fensters.
Properties mit Schreibzugriff können verändert werden, in dem einfach ein neuer Wert zugewiesen
wird, z.B:
ClientSize = new Size( 640 , 480 );
Dabei ist zu beachten, dass sich Size in dem Namesraum System.Drawing befindet.
Tipp: Wenn Sie an einem Rechner mit Windows 2000 oder XP als Betriebsystem sitzen, sollten Sie
unbedingt auch die Property Opacity der Klasse Form mal auf 0.5 setzen.
Wie und wann erzeuge ich mein Fenster/Form-Objekt?
Um Ihr Fenster zu erzeugen, müssen Sie in der Main-Methode ein Objekt der Klasse
VolumeRendering erstellen und den Programmablauf mit dem Fenster verbinden. Dies geschieht
durch:
Application.Run( new VolumeRendering() );
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Aufgabe 3
Innerhalb des Fensters soll nun eine einfache Liniengrafik dargestellt werden, in der
jeder 40. Bildpunkt am oberen Rand des Fensters mit jedem 40. Bildpunkt des unteren
Bildrandes durch eine rote Line verbunden ist.
Was braucht man für das Zeichnen der Linien?
Für das Zeichnen der Liniengrafik verwenden wir die Methoden und Klassen aus dem Namensraum
System.Drawing. Genauer gesagt benötigen wir die Klassen Color, Pen und Graphics. Letztere ist eine
Klasse in der die Methoden zum Zeichnen von Linien vorhanden sind. Wie das genau geht, können Sie
in der .NET-Framework-SDK-Dokumentation nachschlagen, die alle vordefinierten Namensräume und
Klassen beschreibt.
Wann soll man die Grafik zeichnen?
Das Zeichnen sollte genau dann erfolgen, wenn das Betriebsystem mitteilt, dass der Fensterinhalt auf
dem Bildschirm sichtbar wird (z.B. auch nach Verdeckung durch ein anderes Fenster).
In diesem Fall wird die Methode OnPaint( PaintEventArgs e ) der Klasse Form aufgerufen, die wir
in VolumeRendering nur überschreiben müssen, um unseren eigenen Fensterinhalt zu zeichnen.
Das Überschreiben geschieht einfach durch die Definition der folgenden Methode in der von Form
abgeleiteten Klasse VolumeRendering:
protected override void OnPaint( PaintEventArgs e )
{ }
Durch die Property e.Graphics kommen Sie übrigens an das Graphics-Objekt ran, das Sie für das
Zeichnen der Linien benötigen.
Für diese Aufgabe braucht man doch zwei geschachtelte for-Schleifen, oder?
Richtig! Und deren Syntax ist wie in C++ oder Java:
for( ; ; )
{ }
wobei auch die Deklaration einer Variable beinhalten kann, z.B:
for( int i = 0 ; i < 100 ; i++ ) { ... }
Aufgabe 4
Das eigenartige Schlüsselwort override in der letzten Aufgabe wird in C# benutzt,
wenn man eine Methode aus der Basisklasse überschreiben möchte. Experimentieren
Sie etwas mit dem Programm, um die Antwort auf die folgenden Fragen
herauszufinden:
• Was passiert, wenn man override weglässt oder vergisst?
• Was passiert, wenn man sich verschreibt und z.B. eine Methode OnPain(...)
statt OnPaint(...) definiert?
• Ist das beobachtete Verhalten sinnvoll? Begründen Sie Ihre Antwort!
Bringen Sie das Programm im Anschluss wieder in einen lauffähigen Zustand!
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Aufgabe 5
Starten Sie das Programm aus Aufgabe 3 und verändern Sie mit der Maus die Größe
des Fensters. Welche Mängel fallen Ihnen bei der Liniengrafik auf?
Achten Sie dabei auf die folgenden Programmeigenschaften:
• Wird die Liniengrafik an die Fenstergröße angepasst?
• Wird die Liniengrafik immer korrekt dargestellt?
• Wie steht es mit der Geschwindigkeit bei größeren Fenstern?
Beheben Sie die gefundenen Mängel.
Wie kriegt man einen Form dazu, dass bei einer Größenänderung der gesamte
Fensterinhalt neu gezeichnet wird?
Für diese Aufgabe müssen Sie das Form-Objekt geeignet konfigurieren, die Methode SetStyle() der
Klasse Control hilft Ihnen dabei.
Control ist eine Klasse, von der Form abgeleitet ist, so dass Sie diese Methode innerhalb Ihrer
VolumeRendering-Klasse verwenden können.
Das Setzen eines Styles geschieht z.B. durch:
SetStyle( ControlStyles., true );
Suchen Sie in der Dokumentation zu ControlStyles nach geeigneten Flags.
Tipp: Die Zeichengeschwindigkeit kann neben dem Neukauf eines Rechners auch durch das
Einschalten des DoubleBuffering erheblich gesteigert werden.
Aufgabe 6
Die Methoden der Klasse Graphics eignen sich auch zur Darstellung von Bildern,
z.B. im BMP oder JPEG Format. Erweitern Sie dafür Ihr Programm um ein Objekt
vom Typ Bitmap, das Sie im Konstruktor der Klasse VolumeRendering aus einer
Datei erzeugen und in OnPaint() mit einer entsprechenden Methode der Klasse
Graphics darstellen.
Auf den WWW-Seiten des Praktikums
http://wwwradig.in.tum.de/praktika/praktCSharpMedBV.SS05
finden Sie ein Testbild, welches Sie für diese Aufgabe verwenden können.
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Optionale Aufgabe 1
Für die Versionskontrolle steht Ihnen eine Quellcode-Datenbank auf der Basis von
Subversion (http://subversion.tigris.org/) zur Verfügung. Eine Versionskontrolle dient
zur Speicherung des momentanen Zustands Ihres Programms und zur Protokollierung
der durchgeführten Veränderungen am Code, insbesondere wenn mehr als ein
Programmierer daran arbeitet.
Sie können diese Datenbank dazu verwenden um den Quellcode auch zu Hause zu
bearbeiten und den Programmcode konsistent mit der Version am Lehrstuhl und die
Ihres Praktikumpartners zu halten.
Vielleicht kennen Sie das Konzept der Versionskontrolle bereits von dem recht
bekannten und verbreiteten CVS, zu dem Subversion einen Nachfolger darstellt.
Zum Datenaustausch mit der Datenbank benötigen Sie einen Client. Wir empfehlen
hierfür TortoiseSVN, das auf den Praktikumsrechnern vorinstalliert ist.
Der TortoiseSVN-Client bietet Ihnen folgende Möglichkeiten über das Windows-
Kontextmenü für Dateien und Verzeichnisse an, dass bei Klicken mit der rechten
Maustaste erscheint:
• Import/Importieren...: Initiales Übertragen Ihres Programmcode-Verzeichnis
in die Datenbank
• Checkout/Auschecken: Erstellen einer Arbeitsversion des Inhaltes der
Datenbank auf Ihrem Rechner
• Commit/Übertragen: Übertragen von Veränderungen an einer ausgecheckten
Arbeitsversion in die Datenbank
• Update/Aktualisieren: Übertragen der aktuellen Version der Datenbank in Ihr
ausgechecktes Programmverzeichnis, d.h. Veränderungen anderer
Programmierer werden in Ihre Arbeitsversion eingearbeitet
• Add/Hinzufügen: neue Dateien zu einer ausgecheckten Version hinzufügen,
die Veränderungen werden erst nach einem Commit in die Datenbank
übertragen
• Delete/Löschen: Dateien von einer ausgecheckten Version entfernen, die
Veränderungen werden erst nach einem Commit in die Datenbank übertragen
• Zeige Log: Anzeige der Historie der Datenbank
Nachfolgende Abbildung verdeutlicht den Datenfluss für die einzelnen Aktionen.
Benutzer mit
Arbeitsversion
Auschecken
Übertragen
Subversion-
Datenbank
Aktualisieren
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Für den Zugang zu der Datenbank benötigen Sie die Angaben, die auf dem Passwort-
Handout aufgelistet sind. Sie müssen sich bei einem Zugriff auf die Datenbank bei
dieser anmelden. Dies geschieht mit dem Login und Passwort für Ihre Gruppe.
Zum Importieren Ihres Projekts gehen Sie folgendermaßen vor:
1. Wählen Sie mit der rechten Maustaste im Kontextmenü für Ihr
Projektverzeichnis „TortoiseSVN/Importieren...“
2. Geben Sie im darauf erscheinenden Dialog die URL Ihrer Programm-
Datenbank an und klicken Sie „Ok“.
3. Wenn Sie im Internet-Explorer nun die URL Ihrer Programm-Datenbank
eingeben, sollten Sie nun eine navigierbare Darstellung Ihres Quellcodes
sehen.
Achtung: bitte beachten Sie, dass Sie nicht auf der importierten Version
weiterarbeiten (benennen Sie am Besten das Verzeichnis Ihres Projekts um!), sondern
stattdessen nur eine dafür vorgesehen Arbeitsversion verwenden. Um diese aus Ihrer
Datenbank zu holen, gehen Sie folgendermaßen vor:
4. Wechseln Sie mit dem Windows-Explorer in ein Verzeichnis, das für Ihre
Arbeitsversion vorgesehenen ist.
5. Wählen Sie im Windows-Kontextmenü „TortoiseSVN/Auschecken...“
6. Im darauf folgenden Dialog müssen Sie wieder die URL ihrer Datenbank
angeben und auf „Ok“-klicken.
Durch die Schritte 4-6 können Sie auch zuhause beliebig viele Arbeitsversionen
anlegen.
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