MIDI技术基础理论

MIDIMIDI技术或许是人们比较生疏的领域。在中国，更多的人是通过MIDI开头了解计算机技术在电子音乐中的运用的，因此，MIDI音乐几乎成了计算机音乐的代名词〔至少在很多人心目中，计算机音乐就是MIDI音乐〕。而且，有关MIDI方面的技术理论、软件学习书籍也版得很多。在此，笔者为MIDI专设一章，似乎多余。但作为一部相对完整的计算机音乐技术理论书籍，笔者不行能略过MIDI技术。再者，市场上有关MIDI方面的书籍虽然很多，但多是软件学习等技术应用类型的书籍，其根底理论方面虽涉及，但系统、完整者不多。或许，这正是笔者需要补充的局部。固然，只用一章的篇幅论述MIDI技术，在很多细节方面确定是挂一漏万，不行能具体，但本书的宗旨还是强调系统的、根底性的理论阐述。期望能给读者一个系统阐明的理论架构。1MIDI根本概念MIDI，本是一个商业行业技术协议的缩写。英文全称为MusicalInstrumentDigitalInterface，可译为“音乐设备数字接口”。这种接口的作用就是使用各种电子乐器之间，以及电子乐器与电脑之间通过一种通用的通讯协议进展联络。20世纪80年月，电子科技的进步和计算机数字化技术的承受，大大推动了电子音乐设备的进展，合成器的数字化，使一般的电子琴也多承受了CPU把握技术，于是，五花八门的数字化电子乐器层出不穷，各个生产厂家往往使用各自不同的技术模式和标准来设计、制作声音，这使得音乐家们渴望有一种简洁的方法连接不同品牌的乐器设备，以便使任何人都能够通过一个键盘演奏多种乐器。MIDI正是在这样一个历史背景下消灭的。1982年，国际乐器制造商协会的十几家厂商通过美国SequentialCircuits1983MIDI协议1.0版正式制订出来。此后，全部的商业电子乐器设备的背后都消灭了几个五孔MIDI插座，乐器之间最终有了统一的连接标准，而不在存在“语言障碍”了。最初MIDI制订的目的，只是一个行业协议，它确立了以下几项条款：1、MIDI设备之间用电缆方式连接。2、明确了电子信号的输入和输出电路。3、确立了MIDI信息的类型。4MIDI信息的格式和内容。但出乎大家所料的是，MIDI协议的消灭不仅为电子乐器之间的联络确立了标准，使世界电子乐器工业制造从无序进入有序，从而大大拓展和活泼了电子音乐进展的空间，更重要的是，它为计算机与电子乐器之间建立了相互沟通的桥梁，为计算机技术在电子音乐中的广泛运用和进展奠定了根底。MIDI〔MIDIMessages〕如前所述，MIDI只是音乐设备数字接口，因此MIDI电缆不携带音频信息，两件乐器通过MIDI接口的连接并不能使A乐器发出B乐器的声音，因此，通过计算机向其他合成器等电子设备发出的MIDI信息，只是一些表演的数据，用这种手段方式向其他乐器发出指令，从而把握其他系统的操作。当你在MIDI键盘上按下一个琴键，你不是在制造一个声音而是发出不条MIDI指令，叫做NoteOn〔音符开〕的信息。至于这个信息能发出什么声音，完全取决于电缆另一端的MIDI乐器，而MIDI电缆并不存在音频数据。MIDI信息有很多不同的类型，从大的方面概括起来，可分为通道信息和系统信息。通道信息是应用在MIDI具体的通道中，通道的数〔在第几通道〕是包含在信息的字节中的；系统信息是指向整个系统的信息，信息字节中没有通道数的表示。一、通道信息〔ChannelMessages〕通道信息又可以分为通道发音信息〔ChannelVoiceMessage〕和通道模式信息〔ChannelModeMessages〕通道发音信息携带音乐演奏的数据，这些信息包含了大局部的MIDI信息流的数扰。通道模式信息则影响外围乐器设备接收信息的方式，使设备对通道声音信息有反响。1、通道发音信息〔ChannelVoiceMessage〕通道发音信息是用来输送演奏信息数据的，之所以称作通道信息，是由于它们都是针对特定的某个MIDI通道上的仪器所传送的信息。这类信息的种类包括：NoteOn，NoteOff，Polyphonec，Aftertouch，PitchBend，ProgramChangeandtheControlChangemessages，等。下面就一些主要的通道信息作简洁介绍。NoteOn，NoteOff〔音的开与关〕，在MIDI系统中，激活一个具体的音再将这个音放弃，往往被视为是两个单独的大事，当在MIDI键盘上按一个音，键盘将NoteOn信息输送到MIDIOut中。NoteOn〔音符开〕信息包含3个字节，4类信息。第一个字节包含状态〔说明这一信息是什么性质的〕和通道号1~16；其次字节是音符编号0~127；第三个字节表示力度0~127。当松开所按的键盘，MIDI键盘就输送了一个NoteOff信息，指令全部这个键上的NoteOn信息被关闭放弃。Aftertouch〔触后〕信息，目前较的键盘都能感应键盘按下的力气，而将这个力气转换成数值，而触后是进一步大感应键盘压力的数值记录。是键盘演奏把握的高级形式。PitchBend〔弯音〕信息通常是通过键盘左侧的音高滑轮完成的把握，可以在实时状态下转变音高，形成滑音效果。ProgramChange〔程序变换〕信息，是用来指定在不同的通道选择不同类型的MIDI乐器。程序变换信息只需要一个字节就可以完成的程序数的指定。ControlChange〔把握变化〕信息，是用来在合成器中把握众多不同的功能，把握变化信息像其他通道信息一样，只能影响给定的状态字节的通道数。通道信息中的连续把握信息〔常常将ContinuousController简写为CC)其实并不连续。MIDI通道信息设置了128要用来表示旋钮、推子、踏板的运动状况，每一个CC0~127，例如合成器的调制轮或调制杆总是1号把握器，转到一端为0，另一端为127。但是数值并不是平滑地变化，而是台阶式整数地变化。比方数值可以是56或57，但不行能是56.1或57.2。假设用CC把握一些比较敏感的声音参数，有可能听得到台阶式的效果变化。一些连续把握信息〔CC〕是预先定义的。一些CC连续把握器信息规定了特别的用途，如一些把握器只定义成开关式〔例如64、65、66等〕，拿CC64安排给延音踏板为例，踩下去发送127；抬起来发送0，并不使用中间的数值。而CC00-CC31可以与CC32-CC63使用，表示最低有效数字节〔LeastSignificantByte〕和最高有效字节〔MostSignificantByte〕MSBLSB。[]MIDI为各通道定义到了128个音符，中心C编号为60，5个八度的键盘编号可能就是36到96。但是音序器没有统一的规定，有的60C3，C4，并不统一。有两种方法可以关闭已经翻开的音符：一种是发送音符关信息；另一种是发送力度为0的音符开信息。固然这两种方法都必需包含相应的音符编号和通道号，否则就不能到达目的。除了力度0被借用来代表音符关，音符开的力度范畴变成1~127以外，这两种方法在音乐上并无区分。不过，后者在节约信息量上优于前者，由于MIDI有一个“运行状态”，规定前后信息的状态完全全都的时候，后面的信息可以省略状态字节。如此算来一开一关是不同的状态。需要6个字节；两个开〔其次个开力度为0，实际是关〕状态一样，5个字节就够了。在发送一大片连续的快速音符时，运行状态可以有效降低MIDI信息的传送密度。2.通道模式信息〔ChannelModelMessage〕通道模式信息并不对声音造成任何影响，面是调整MIDI设备对MIDI数据的反响，是影响合成器接收MIDI数据的方式。通道模式信息一般处在MIDI把握数121至127之间，如把握器数121用来重设置全部把握器，124至127用来在全部翻开和关闭模式之间选择带通道或多通道的指令。当总通道〔Ommi〕翻开，合成器就会在全部的通道上接收MIDI数据，当总通道关闭，合成器就只在一个通道上接MIDI二、系统信息〔SystemMessages〕系统信息是指向整个系统的信息。系统信息的重要性在MIDI系统的同步作业上尤其明显，系统间必需要能即时交换相互的系统状态，才有方法相互协作。而数台MIDI设备相互连接时之所以能够同步作业，主要是依靠系统信息作有效的传输。系统信息可分为系统一般信息〔SystemCommonMessages〕、系统实时信息〔SystemRealTimeMessages〕和系统独占信息〔SystemExclusiveMessages〕三类。系统独占信息的作用是用来交换一些同厂家才看得懂的MIDI信息，这些信息自然没有标准的格式，最常见的应用便是同厂家乐器的音色共用；系统实时信息是用来使全部带有MIDI时钟设备的系统同步化；系统一般信息是对MTC时钟构造、歌曲位置指示器、曲调查询等信息的说明，它与系统实时信息起相像的作用。同时又对其他如乐曲选择信息的限定等起作用。三、MIDI信息总的特点与优势MIDI信息的一个主要特点，是它占用的存储空间微小。一首4分钟左右长度的MIDI，其容量只有百余K字节。而同样长度的音频文件则高达40MB左右，相比之下之所以MIDI文件会如此小巧玲珑，是由于MIDI文件并非像音频文件那样量化、纪录乐曲每一时刻的声音变化，MIDI只是一种描述性的“音乐语言”，只要将所要演奏的乐曲信息表述下来就可以了。壁如“在某一时刻，使用什么乐器音色，以什么音符开头，以什么音调完毕”等等，这些信息所占用的几十K空间对于如今大容量的硬盘来说只是沧海一粟罢了。而且小巧的体积也成MIDIMIDI信息更大的优势，在于它便于修改，便于编辑。MIDI既然只是一种描述语言，而不是声音本身，它只是一种命令，所以转变命令比转变声音本身要简洁得多。因此，在MIDI文件环境地下，我们可以随心所欲地编辑、修改这种语言，如调整音乐的高度、速度、力度等音乐参数的变化。而一旦音乐成为音频声音本身，转变的余地就有限了。MIDIMIDI作为一种标准的电子数据传输，需要系统与通道供给标准有效的传递音乐信息的途径。MIDI的系统与通道是MIDI技术中另一个最根本的环节。下面就MIDI系统和通道的根本概念和常识作简要说明。一、把握器、音序器和音源MIDI设备的系统组合和配置可谓多种多样、千变万化，但其根本的系统功能却是不变的，即它们都需要有把握器、音序器和音源。把握器是一种演奏乐器，最常见的就是有MIDI口的键盘乐器，人通过把握器实时演奏〔或同步录音〕，并通过音序器将这种演奏变成MIDI音序器是使MIDI数据成为一种可抓以、储存、编辑、组合、重放的设备。音序器和多轨录音机的功能类似，只不过录音机记录的是真实的声音，而音序器记录下的却是电子信号，在 MIDI世界里，音序器记录下的就是MIDI信号。它记录了声音的音高、音长、音量、音色等参数，而不是真正的模拟声音信号。在今日的计算机时代，音序器的运用根本以计算机为平台，利用计算机为平台的MIDI系统，只需要在PC计算机上配置一个MIDI接口，以便能与其他设备传递MIDI信息，然后，利用强大的计算机编辑软件，如Cakewalk，MIDISequencer，MusicScoring，Games，MultimediaPackages，EducationalPackages等完成音乐的创作和设计制作任务。音源的英文名称为MIDIsoundgenerator或SoundModule，在它的MIDIInMIDI信息数据，音源很像一个拥有丰富颜色的油画箱，它拥有丰富的音色，而具体怎样利用这些音色，得通过作曲家利用把握器和音序器使音源接收MIDI信息和命令，完成音色的选择，最终，将这些MIDI信息通过音源转换成实际的音频声音文件。固然，很多MIDI键盘都带有音源，但由于计算机的融入，也由于作曲家需要自已喜好的共性化的设备，因而，对计算机为平台的三种类型设备的配置有多种可能性。这也打算了MIDI工作室设备配置的多样性。二、MIDI通道的特性MIDI信息通道是单向的，这与很多现代的数字通讯例如USB等不同，MIDI电缆中的信息只向一个方向流淌。假设你期望两台设备之间能够对话〔传送系统专用信息时常常用到〕，就需要把各自OutIn因此，MIDI通道最重要的特点是In对Out，Out对In的连接方式。很多MIDI设备的后面板带有3个MIDI插座：In、Out、Thru。连接设备的时候，主键盘的Out将连接到期望接收信息设备的In。MIDI设备可以做链形连接，使主键盘〔或电脑等〕发送的信息传送到连接的各个设备。链形连接的时候主键盘的Out连接到下一个设备的In，然后从它的Thru连接第三个设备的In，再从下一个设备Thru连In.....Thru4到5台以上设备不是好的配置，由于数字信号屡次Thru之后累加的延持简洁使挂在链路后端的设备发生错码或其他意外状况。这是应用者需要留意的问题。在MIDI电缆中同一时间只能传送一个比特数据，技术上称为串行通讯。MIDI108MIDI31250比特，或者说3125字节。一个MIDI音符开信息包含3个字节，不到1毫秒就发送完毕。即使一个20音的和弦也将在20毫秒之内先后发声，人类的听觉几乎不能感觉到这样微小的时间差异。MIDI定义一条电缆同时可以传送16条通道，假设需要更多通道，就要使用更简洁的电缆设置。例如你的电脑配备了8个端口的接口，同时传送的通道数就可以到达 16*8=128。假设一些合成器可以同时接收32通道，这时就需要2个MIDI输入口〔或者其他形式的接口，如USB等〕。三、音色库的选择MIDI刚创立的时候合成器通常只有30多个，最多不过64个音色可以记忆，没有谁能够预见不久后合成器竟能拥有成千上万的音色。结果只定义了128个选择音色的程序变换〔ProgramChange〕，在这日后浩大的音色菜单项选择择面前，显得太微缺乏道了。为这解决这个问题，制造了音色库选择信息。音色库选择〔BankSelect〕借用了连续把握器CCO和CC32构成的14个比特的数值，使音色选择的范围到达16384个音色库，每库包含128个音色。其数量值格外巨大。一些合成器可能马上转换到选择的音色库，而另外一些则要等到接收一条程序变换命令后才转换。一些合成器没有把音色库装满，因此一条音色库选择命令可以同时选中2个库，具体选择音色时还需要加上偏移值。还有的合成器无视音色库选择命令。一些音序器试图帮助用户完成音色选择，但是并不能对全部的合成器生效。四、MIDI信息最早的MIDI规定定义了时钟信息以及停顿、开头、连续、乐曲位置等信息，使两台音序器能够同步运行。每个四分音符发送24个时钟信息，因此它是随速度而变化的。时钟信息是很简洁的单字节标记，并不包含时间、位置等信息。MIDITimeCode〔MIDI时间码，简称MTC〕，这是SMPTE同步码在MIDI上的表现方法，它能够供给乐曲演奏的时间信息，但是不包含速度信息。假设两个用MTC同步的音序器工作在不同的速度，尽管有很好的同步，它们的音乐还是会渐渐错位。GM早期的MIDI设备，除了都能承受MIDI信号之外没有统一的标准，尤其是在音色排列的方式上更是任凭的，没有任何标准。也就是说你在这台琴一制作完成的音乐拿到另一台不同型号的琴上播放时会变得面目全非。小提琴可能会变成吉它，钢琴可能会变成大鼓。这就是电子音乐使用者之间的沟通带来的麻烦。于是，ROLAND公司于1990GS的标准。GS标准是在ROLAND的早期产品MT-32CM-32/64的根底之上，规定了MIDI设备的最大同时发音数、鼓镲等打击乐器作为一组单独排列、128种乐器音色有统一的排列方式。在这几项规定中，最重要的就是这 128种音色的统一排列方式。有了这种排列方式，只要是在支持GS标准的设备上制作的音乐，拿到任何一台支持同样标准的设备上都能正常播放。除上规定以外，GS标准还有“音色编辑”功能的规定，也就是说，你可以在制作的MIDI乐曲中包含对所用音色进展变化的信息。而且，GS标准规定在通用的128种音色之上，每种音色者可以再叠加假设干种音色，如在第一号大钢琴音色之上，可以再叠加“触键较重的大钢琴”、“触键较重的大钢琴”、“触键较轻的大钢琴”、“音色光明的大钢琴”、“音色暗淡的大钢琴”等各种钢琴音色，使128种GS音MIDIGS标准的制定是一件好事，它使得全世界的电子乐器有了一个“全主位接触”的时机。可是，或许是由于这个标准真的是过于简洁，更可能的是由于众多的MIDI设备制造商不原意形成ROLAND独霸世界标准的局面，总之最终世界各国的MIDI设备制造商并没有全盘承受这GMGM标准的全称应当是“通用MIDI〔GeneralMIDISystemLevel1〕，1991年，在GS标准根底上，主要规定了音色排列、同时发音数和鼓组的键位，而把GS标准中重要的音色编辑选择局部去掉了。GM标准的音色排列方式根本上沿袭了GS标准。虽然GM标准不如GS标准那样功能强大，但是它到底是世界一第一种通用的MIDI乐器排列的标准，而且正是由于它将ROLANDGS标准作了简化，也使得更多的MIDI设备厂商可以制造符合此标准的MIDI设备。所以GM标准得到了MIDI设备各厂商，尤其是多媒体设备厂商的吵闹响应。此后，GM在全球普及，各大MIDI厂商的设备纷纷采样GM的标制，MIDI设备之间实现了比以往更深层次的沟通，为多媒体时代的真正到来作好了预备。后来，在电子乐器方面唯一可与ROLAND相匹敌的YAMAHA也不甘示弱，于1994年推出了自已的标准--XG。与GM、GS相比，XG供给了更为强劲的功能和一流的扩展能力，并且完全兼容以上两大标准。而且凭借YAMAHA公司在电脑XGPCMIDI音乐合成器技术，在前面各章中已经有特地的论述，这里我们需要说明的是，MIDI中最主要的合成应用技术是频率调制〔FM〕合成与波表合成。有关FM合成〔FrequencyModulationSysnthesize〕的技术原理，本书的特地章节已经有详尽的表达，此不做赘述。需要进一步说明的是，在MIDI合成技术中，每一个FM声音需要至少两个信号发发器，这些发生器通常又被称作把握器〔Operators〕，简洁的FM系统每个声音可以承受4或6个把握器，不同的FM合成是由不同的把握器参数的把握水平程度变化所致。把握器可以带有包络调制功能。一、波表合成技术根本概念波表合成在前面数字振荡器理论中已经有所涉及，这里，我们再作进一步被充说明。波表合成所带来的效果要比FM合成进步得多。目前，主要的专业合成器都承受声音采样和波表合成技术。在MIDI技术中的所谓波表合成，其实是将各种真实乐器所能发出的全部声音〔包括各个音域、声调〕记录下来，存储为一个波表问件。当应用时〔播放时〕，依据MIDI“波表”中逐一找出对应的声音信息，经过处理、加工后回放出来。由于在MIDI技术中，波表合成是以真实乐器的采样为前提和参照，所以又称作取样合成。一般波表的乐器声音信息都以44.1kHz、16Bit的精度录制，以到达最真实回放效果。二、波表合成的步骤1Loop循环2Loop3、用ADSR包络调制器来调整整个波形的振幅包络，以模拟目标声音的包络4、参与其他合成手段，如滤波器等进一步修饰5ROM存储器中波表合成技术中最主要的技术步骤是声音片段的取样Looping技术和包络技术。一个典型的波表合成系统正是储存一个乐器声音段和LoopedLoop的长度是通过取样数来打算的，Loop的长度与一个乐器声音在演奏时根本音色的周期数相全都。三、音高变移〔PitchShifting〕为了最大限度地节约取样占用空间，波表合成系统承受了音高变移或称音高转换技术〔PitchTranspositionTechniques〕，从而实现由单一的声音取样完成不同音高的声音。概括地说，音高变移技术是通过将储存的取样声音在不同的速度频率上回放来实现的。比方，我们只作了钢琴中心C的取样，通过音高变移技术，我们用这个取样，就可以实现其他音如D、E四、One-shotSounds前面的段落，我们描述了一个声音取样先被分为起音段和延持段，然后通过Looping技术为这个延持段作是小化的储存需求。但一些声音，尤其是一些极短的声音如很短的鼓声，其特性在整个过程中都在变化，这样的声音就只需要一个单取样作为储存，而无需Looping，这样的声音称作One-shorSounds。五、波表合成的几个参数指标1、波表库容量由于波表合成技术是将真实乐器的音色采样录制下来再进展合成处理的，所以波表越大音色采样就越真实，效果就越好。一般1MB的波表每种音色只能被安排到10KB左右的空间，而2MB波表则可以获得比它大一倍的空间，效果自然也会更好。专业MIDI设备的波表库一32MB2、复音数在各类声卡的命名中，我们常常会觉察诸如64、128之类的数字。64位、128位声卡。其实就现在的技术进展状况而言，声卡根本没有进展到，也没有必要进展到如此高的数据处理通道，64、128代表的只是此卡在MIDI合成时可以到达的最大复音数。所谓“复音”是指MIDI乐曲在一秒钟内发出的最大声音数目。波表支持的复音数值假设太小，一些比较简洁的MIDI乐曲在合成时就会消灭某些声部被丧失的状况。直接影响到播放效果。好在如今的波表声卡大多供给64个以上的复音数值，而多数MIDI乐曲的复音数都没有超过这个数，所以音色丧失现象不会发生。另外需要留意的是“硬件支持复音”和“软件支持复音”之间的区分。所谓“硬件支持复音”是指其全部的复音数都由声卡芯片所生成，而“软件支持复音”则是在“硬件复音”的根底上以软件合成的方法，加大复音数，但这是需要CPU来带动的。眼下主流声卡所支持641024。3、特别效果大容量的波表和高复音数的支持给MIDI供给了良好的表现空间。但要想到达近乎真实乐器的演奏监场效果，还需要一些锦上添花的修饰，所以大局部波表供给了一些特别效果的支持。其中主要包括：回馈、和声、变化三种。一般这些效果都能获得支持。六、硬件波表合成与软件波表合成硬件波表合成是将波表合成引擎以硬件的形式做在声卡上，有些声卡还将音色数据保存在卡上的专用RAM芯片中或是在系统内存中划分区段存放。硬件波表的优点是系统资源占用小、音色信噪比〔SNR〕MIDI1996年末，软件波表合成器问世。软件波表的最大妙处就在于它是“免费”的。下载一个波表软件，安装到机器里，你就可以享受波表合成的惊人效果了。软件方式波表合成是用特别软件利用系统CPU的运算功能完成合成运算过程。其实软件波表的实质是将音色库存储在硬盘中，播放MIDI时将其调入系统内存，通过CPU的运算合成，借助声卡的WAV通道实现声音输出。所以使用软件波表，对CPU速度有确定的要求。从实际播放效果来看，最版本的几款软件波表并不逊色于一些硬件波表，但它们共同的弱点在于CPU占用率