MIDI音频开发必备知识之MIDI技术详解

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MIDI音频开发必备知识之MIDI技术详解
1. MIDI硬件规范
MIDI接口包含3种不同的连接器：IN，OUT，THRU（穿越，用于菊花式链接多个MIDI设备）。
菊花式链接设备：
方法一：设备1的THRU连设备2的IN，设备2的THRU连设备3的IN。
方法二：设备1的OUT连设备2的IN，设备2的OUT连设备3的IN。
MIDI控制器：当作乐器使用的一种设备，它能把演奏转换成实时的MIDI数据流。
MIDI音序器：允许MIDI数据被捕获、存储、编辑、组合和重奏的装置。
MIDI数据流是单向异步的数据位流，常由MIDI控制器产生，比如乐器键盘、吉他等；也常由MIDI音序器产生。

2. MIDI合成器原理
音乐合成器（音源）：对MIDI消息进行译码并执行收到的指令，从而产生出指定的音乐。有两种合成方法：频率合成方式和波形表合成方式。
FM合成方式：通过组合各种波形产生复合乐音，来模拟各种乐器的声音。有好的听觉效果但难以产生逼真的乐音，有些乐音则几乎不能产生。
波形表合成方式：乐音样本合成法。把真实乐器发出的声音波形以数字的形式记录下来，再根据需要以不同的速度将录音回放出来，以产生各种波形和各种音高的乐音，更加逼真。对真实乐器声音波形的记录可以是有限的样本，例如：钢琴有88个音阶或键，一般仅需对其中一个或两个8度音阶内的12个-24个琴音进行采样并存储，利用这些音的采样值并配合不同的回放速度就可以产生出全部的88个音。


3. MIDI信息标准
General MIDI标准：制定了一份MIDI乐器应当遵从的音色排序表，共128种音色（16组乐器，每组定义了8种乐器音色），包含了常用的乐器及一些音效，并规定了47种打击乐器在键盘上的对应位置。其中打击乐使用第10通道，旋律乐器使用1-9和11-16号通道。
一个MIDI消息由1个8位的状态字节并通常跟着2个数据字节组成。状态字节最高有效位设成1，因而他总不小于80H，低4位用来表示这个MIDI消息是属于哪个通道，其余3位表示MIDI消息的类型；数据字节总是小于80H。
MIDI消息分为通道消息和系统消息。
通道消息：分两种。
（1）通道声源消息：它携带着演奏数据。
（2）通道方式消息：表示合成器响应MIDI数据的方式。
系统消息：分三种。
（1）系统公共消息：它标识在系统中的所有接收器。
（2）系统实时消息：它用于MIDI部件之间的同步。
（3）系统独占消息：这是厂商的标识代码。
消息格式：xm nn kk（1个状态字节+2个数据字节）
Xm：状态字节。决定了8种MIDI命令和16个MIDI通道。
Nn：数据字节。代表音符号、控制号等，取值0-127。
Kk：代表按键、释放键力度（音量）等，取值0-127。
例如：
（1）93 60 68：音符开，4通道，音符为60，按键力度68。
（2）83 60 68：音符关，4通道，音符为60，按键力度68。
（3）93 60 0：相当于（2）
（4）C2 40：表示将第3道的音色改变为40号音色（小提琴音色编号）。
PS:消息相关解释见Windows程序设计第22章某节——MIDI和音乐

MIDI文件：由一个头块（Header Chunk）和紧接着的一个或多个音轨块（Track Chunk）。头块以MThd为标志，音轨块以MTrk为标志。
MIDI文件的块结构：

[size=13.3333px]

类型	长度	数据
4字节	4字节	（规定的）长度

举例：“4d 54 68 64 00 00 00 06 ff ff nn nn dd dd”。

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解说：

“4d 54 68 64”是ASCII字符“MThd”，“00 00 00 06”表明之后有6个字节。
“ff ff”定义了MIDI文件的格式类型：格式0为单音轨文件，格式1为多音轨文件，格式2为多音序器音轨文件。
“nn nn”表示音轨块个数。
“dd dd”定义了MIDI事件的时间格式类型。
音轨块数据：由一对或多对+组成。是必需的，它指前一个事件到该事件的时间间隔，单位为tick。在连续的音轨块数据流中，每个MIDI事件前都必须有一个时间差参数，也就是“时间差参数+状态字节+数据字节”。
举例：一个编号为3C的音，它的时值为一个四分音符，选用通道1，则相应的MIDI事件组合为：
00（delta-time） 90 3C 40（通道1，开3C音） 78（delta-time） 80 3C 40（关3C音）
Meta事件：除了包括MIDI事件外，还包括Meta事件。Meta事件用来表示像track名称，歌词，提示点等，它并不作为MIDI消息被发送，但是它仍然是MIDI文件有用的组成部份。格式为：ff xx nn dd。
Ff：Meta事件的标志。
Xx：描述Meta事件的类型，取值范围00-7F。
Nn：紧跟其后的数据长度。
Dd：数据
  
MIDI文件举例：
按照下面给出的曲谱，写出MIDI文件。
1 = C    4/4    120拍/分
| 3 3 5 i - |
要求采用MIDI文件格式0来书写，音色为小号。
1. 定义一个时间分辨率，通常可设置一个四分音符的tick数为120（即78h），任选一通道：通道2。
2. 接下来写MIDI文件。先写头块：4d 54 68 64 00 00 00 06，这是固定的格式。由于指定采用格式0，所以接下来的格式参数应当是00 00，再接下来写音轨数00 01，再下面要指定基本时间，应当是00 78，这样完整的头块为：
4d 54 68 64 00 00 00 06 00 00 00 01 00 78
3. 由于定义了MIDI格式0，所以只有一个音轨块。先写“MTrk”，即4d 54 72 6b，之后的数据长度xx xx xx xx先空着，最后再补。接下来写全局信息，全局信息是ff开头的Meta事件，Meta事件的时间差都为0，再之后逐一写通道2发生的所有MIDI事件。最后被上数据部分长度：72B（即48h），即将xx xx xx xx写上00 00 00 48。

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写好的MIDI如下：

文件：4D 54 68 64 00 00 00 06 00 00   00 01   00 78
注释： MThd      参数长度6    格式0 1音轨 1/4音符
文件：4D 54 72 6B 00 00 00 48
注释： MTrk      音轨块长度
文件：00         ff 03 08 75 6E 74 69 74 6C 65 64   00           ff 01 02 63 0A
注释：   音轨名称untitled             作者名称untitled
文件：00         ff 58 04 04 02 18 08   00        ff 59 02 00 00   00   ff 51 03 07 A1 20
注释：   拍子记号         音调符号 音符速度
文件：00         C0 38               00        90 40 64       3C       40 00
注释： 通道1音色56      开40音      关40音
文件：00         40 64        3C     40 00     
注释： 开40音 关40音
文件：00         43 64        78     43 00
注释： 开43音 关43音
文件：00         48 64        81 70   48 00
注释： 开48音 关48音
文件：00         ff 2F 00
注释： 音轨结束

4. MIDI设备的同步
MIDI规定以24PPQ（Pulse Per Quartnote）作为MIDI Clock系统的规格。即在一个四分音符的时间内，MIDI系统会发送出24个Real-time Messages（实时同步信息），因此音乐的速度决定了这些Real-time Messages发送时间的快慢。比如tempo = 80拍/分钟，每秒将产生32个Real-time Messages。（80/60*24=32）
SMPTE（the Society of Motion Picture and Television Engineers，电影电视工程协会）：为了解决影音的同步问题，就制定了用于同步的SMPTE时间码，该编码显示方法为：Hour:Minute:Second:Frame（时：分：秒：帧）。SMPTE时间码格式较多，举例如下：
（1）SMPTE25 EBU格式：25帧/秒
（2）SMPTE24 Film Sync格式：24帧/秒
（3）SMPTE30 Non-Drop格式：30帧/秒
（4）SMPTE30 Drop格式：29.97帧/秒
要处理声频和视频同步，难点就在于，MIDI音序和数码声频工作站使用的SMPTE时间码，与视频系统的SMPTE时间码必须是统一的。MIDI、声频和视频在同步处理时，共同采用SMPTE30 Non-Drop格式，但视频是以29.97帧/秒播放，所以SMPTE30 Drop格式诞生了。但由于SMPTE30 Drop时间与现实世界时间存在差异，所以它力图通过“丢弃”一些帧数来弥补这种差异。
MTC时间编码：由于MIDI Clock只能用于MIDI设备间的连接，为了让MIDI设备能与其他设备同步连接，这种完全兼容SMPTE时间编码的MIDI同步信号——MTC时间码就诞生了。

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chen8633329

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