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          嵌入式MIDI文件格式解析設(shè)計與實現(xiàn)

          作者: 時間:2007-08-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          摘要:建立在系統(tǒng)平臺上的電子樂譜閱讀器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)樂譜和譜架的組合成為樂譜閱讀的理想方式,因此在系統(tǒng)上閱讀的數(shù)字樂譜具有重要的意義。本文詳細說明了從一個出五線譜信息的全過程,介紹了以及在MIDI讀取的過程中遇到的種種問題的解決方法。
          關(guān)鍵字:MIDI格式;五線譜生成;電子樂譜

          1 前言

          隨著計算機與電子科學的發(fā)展,傳統(tǒng)的閱讀方式正在發(fā)生著天翻地覆的變化。在音樂領(lǐng)域,由于紙質(zhì)樂譜本身具有如不宜保存、查找和攜帶以及翻頁不便等缺點,也促使許多作曲家使用作曲軟件制作音樂,使用打譜軟件來生成樂譜;但是,雖然制作音樂和生成樂譜的軟件很多,相應(yīng)的閱讀樂譜的軟硬件設(shè)備卻很少,由于沒有可行的方法把樂譜顯示出來,演奏者必須把已數(shù)字化的樂譜再打印到紙上,這說明了在音樂領(lǐng)域數(shù)字化工作進行的并不徹底。

          為了可以把現(xiàn)有的音樂數(shù)字化工作擴展到樂譜的閱讀,又可以克服紙質(zhì)樂譜本身的缺點,一個跨平臺的、便攜的、用戶友好的電子樂譜閱讀器,利用的閱讀系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙質(zhì)樂譜與譜架的組合,無疑是一個不錯的選擇。

          當前可以獲得的電子版的樂譜可以分為兩種,一種是基于圖片格式的,另一種是基于數(shù)字音樂格式的。前一種主要包括jpg圖,gif圖等圖片格式,以及主要由圖片構(gòu)成的pdf,chm等文檔格式,在此本文不作為重點;后一種主要包括MIDI文件格式和一些打譜軟件所使用的專用格式。現(xiàn)在常用的打譜軟件有很多,但分別屬于不同的公司,使用不同的且非公開的格式,本文將著重介紹如何支持公開與標準化的MIDI文件格式的顯示。

          2 系統(tǒng)分析

          圖1是一個簡單的五線譜的一部分,它具有兩個聲部,每個聲部都對應(yīng)一組五線。五線譜上有各種標記,表示出五線譜的各種屬性。

          屬性作用的對象包括:樂譜、聲部、跨越多聲部的音樂段落、單聲部的音樂段落與音符等。而從屬性作用的方法來看,屬性可以劃分成幾類:有的屬性依靠符號的水平位置或垂直位置來體現(xiàn),有的屬性則依靠符號的形狀變化體現(xiàn)。

          某些情況下,同一個屬性必須一致的出現(xiàn)五線譜的許多不同的地方,例如不同聲部的調(diào)號和、拍號在小節(jié)數(shù)相同時必須也是相同的,并且要分別標注在每個聲部。另外,有些屬性并不直接以符號的形式表示在譜上,它作用于其他的屬性上,人們可以根據(jù)其他屬性的變化推斷出來。

          為了描述五線譜復(fù)雜的結(jié)構(gòu),同時考慮到結(jié)構(gòu)的簡潔性以及把這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制到屏幕的便捷性,本文建立了如下幾個類:Staff類描述一個五線譜,Track類描述一個聲部,Measure類描述一個小節(jié),Notation類是所有符號的基類,Note、Chord、Noteblock、Rest、Tie分別描述了單個音符、和弦、音符組、休止符、延音符等符號。圖2直觀的表述了類間的關(guān)系。

          圖2 五線譜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織形式

          考慮到五線譜不同聲部的小節(jié)號相同的小節(jié)具有的許多屬性都是一致的。為了降低冗余度和方便程序調(diào)用,本文為五線譜類設(shè)立了不含有音符的虛擬聲部,來保存實際聲部中的公共小節(jié)信息。虛擬聲部中的小節(jié)聲明為VMeasure類,每個聲部的Measure類都保存指向?qū)?yīng)VMeasure類的指針,方便小節(jié)信息的獲取。圖3顯示了虛擬聲部在五線譜類中的結(jié)構(gòu)。

          3 MIDI文件格式

          樂器數(shù)字接口MIDI(Musical Instrument Digital Interface)是數(shù)字音樂國際的標準,定義了計算機音樂程序、合成器及其他電子設(shè)備交換信息和電子信號的方式,解決不同電子樂器之間不兼容的問題。MIDI文件中包含音符、定時和多達16個通道的演奏定義。文件包括每個通道的演奏音符信息:鍵通道號、音長、音量和力度等。由于MIDI文件是一系列指令,而不是波形,它需要的磁盤空間非常少,此外對MIDI數(shù)據(jù)的編輯和修改非常靈活,可以方便地增加或刪除某個音符,或者改變音符的屬性。

          3.1 格式說明

          MIDI文件中的數(shù)據(jù)劃分為若干個塊(chunk),塊是由塊標記、塊長度和塊數(shù)據(jù)組成的。其中塊標記為4個字節(jié)的ACSII碼,塊長度為4個字節(jié)的數(shù)值,表示塊數(shù)據(jù)域的長度。如表1所示。

          表1 MIDI文件組成

          3.2 MIDI文件格式解析模塊的結(jié)構(gòu)與解析流程

          由于MIDI文件格式解析模塊需要完成的任務(wù)主要有理解MIDI信息、分析MIDI信息、生成五線譜信息幾大部分,因此可以將MIDI文件解析分作兩大塊。第一塊稱為文件分析器,主要負責按順序閱讀MIDI文件,將各數(shù)據(jù)成分分離并分別儲存,完成底層面向文件的數(shù)據(jù)讀入和錯誤處理,保證向上層提供完整的正確的排列有序的音符信息。第二塊稱為整合分析器,主要負責有選擇的使用文件分析器從MIDI文件中獲得的原始信息,參照一系列的規(guī)則,找出音符之間的組合關(guān)系,生成五線譜的邏輯內(nèi)容。整體結(jié)構(gòu)與處理流程如圖4所示。

          3.2.1 文件分析器

          頭塊中表明了MIDI文件類型、包含軌道數(shù)和四分音符的時間增量數(shù)。頭塊的解析相對簡單,但其中的文件類型和四分音符時間增量數(shù)對解析流程影響很大。

          MIDI文件類型不同,MIDI文件內(nèi)部的復(fù)雜度會有較大差別。不過MIDI文件的三種類型之間是復(fù)雜度遞增的關(guān)系,而且前一種類型總可以近似的看作后一種類型的特例,所以只要面向最復(fù)雜的類型2做好各種處理,相對簡單的類型0和1只要稍作修改即可支持。

          MIDI文件中一般把四分音符的時間增量數(shù)設(shè)置為120,但MIDI文件也支持更改這個值。由于這種情況在實際應(yīng)用中比較少見,因此可以通過統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為120的方式,在不影響正確性的前提條件下,降低解析的復(fù)雜度。

          MIDI事件的讀取

          MIDI消息的種類很豐富,而且沒有統(tǒng)一的格式,這意味著只能把每一種消息單獨處理。值得慶幸的是,不是所有的MIDI消息都跟五線譜有關(guān),所以要真正理解的MIDI消息實際上不是很多。要面對的最多的消息是音符打開消息(Note-On),它的實際使用量占了所有消息的總使用量的95%以上。音符關(guān)閉消息(Note-Off)也是必須要處理的,如果不處理這種消息,會造成漏音(打開的音符沒有對應(yīng)的關(guān)閉信號而一直打開)。

          由于MIDI中沒有音符的概念,因此要通過將對應(yīng)的音符開啟和關(guān)閉事件配對形成一個音符,稱之為原始音符,之后還需要將音符開始時間戳和結(jié)束時間戳轉(zhuǎn)換成音符開始時間戳和音符持續(xù)長度。

          為了完成上述兩個任務(wù),使用一個大數(shù)組緩存16個通道里的128個音的狀態(tài)。在接收到音符打開與關(guān)閉消息時進行記錄,并同時計算開始時間與持續(xù)時間。

          Meta事件的讀取

          MIDI中的Meta事件中描述的信息在五線譜顯示中基本上都是有用的,有些信息還起著至關(guān)重要的作用。例如很多說明性的文字信息,需要直接添加到五線譜和各音軌的屬性中。當這些說明性信息重復(fù)出現(xiàn)時,可以把兩段信息的文字連起來,作為一條長的信息出現(xiàn)。

          調(diào)號和拍號信息是Meta信息中非常關(guān)鍵的兩條。調(diào)號決定了每個音符在五線譜上顯示的確切位置及其升降號標志,拍號決定了小節(jié)的長度還同時影響合成音符組的規(guī)則。這些信息都是整合分析器不可缺少的重要信息。

          3.2.2 整合分析器

          文件分析器只能夠讀出MIDI文件中直接說明的音符,如果直接顯示這樣的音符,得到的五線譜將非常難看。整合分析器的任務(wù)就是接收原始音符表與其它如拍號調(diào)號等信息進行排列重組,生成一個正確美觀的五線譜。由于要分析的信息非常多,本小節(jié)僅列舉了一些相對重要的工作。

          確定譜號

          Meta信息里只提供了調(diào)號和拍號的信息,而同樣重要的譜號信息卻沒有提供。由于在整合分析器中的許多工作都要使用譜號信息,所以對音符的統(tǒng)計工作必須在進入整合分析器之前就進行完畢,即把對音符的統(tǒng)計穿插到文件分析器中。

          確定譜號需要統(tǒng)計音軌中最高和最低音符的音高。得到了這兩個值后,便可以決定使用低音譜號和高音譜號中的一種。如果最高音和最低音相差太多,以至于使用無論使用低音譜號還是使用高音譜號都不能滿足要求,可以考慮將一個音軌拆成兩條五線顯示。

          添加休止符

          休止符是五線譜中與音符同樣重要的符號元素,而在原始音符表中只有實在的音符而沒有休止符。休止符是指在一定的時間范圍內(nèi)音軌上沒有任何音處于打開狀態(tài),所以只要監(jiān)視文件分析器中的音狀態(tài)矩陣就可以判斷是非存在休止符。

          小節(jié)劃分與音符的拆分組合

          五線譜中的小節(jié)劃分對顯示來說具有兩個作用,方便上下同步聲部樂譜對齊和在換行時保持末端對齊。由于原始音符可能完全屬于某一個小節(jié),又或跨越若干個小節(jié),因此就要把音符拆分成多個小的音符,并用延音符號連接他們,或者把一個小節(jié)中的幾個音符組合在一起構(gòu)成和弦或者共尾音符組等情況。圖5例舉出了一種比較簡單的情況,三個音符被拆分組合成了兩個和弦。

          完成這一部分工作需要將原始音符表轉(zhuǎn)換為有序棧。有序棧的特點保證了雖然每個音符都有可能被反復(fù)插入,但是它插入的次數(shù)與整體棧規(guī)模無關(guān),只與音符的復(fù)雜度有關(guān)。在音符復(fù)雜度一定的情況下,每個棧元素被反復(fù)操作的次數(shù)接近一個常量,故整體函數(shù)仍停留在nlog(n)級別,是可以接受的。

          為了降低運算量,可以利用只含有一個和弦的共尾音符組和只含有一個音符的和弦統(tǒng)一各種符號間的比較,把3x3=9步比較合并為兩步,降低了比較的代價,大大減少了代碼量。另一個優(yōu)化之處是利用了有序棧,把時間復(fù)雜度降低到nlog(n)。

          圖6展示了MIDI文件的顯示效果,限于篇幅,本文對于多連音、倚音,裝飾音等格式解析,在這里不做更詳細的說明了。

          4 總結(jié)與展望

          本文討論的電子樂譜閱讀器嵌入式開發(fā)平臺采用了基于Celeron-M的ECX平臺,顯示模塊采用了Linux平臺下的QT開發(fā)框架。實踐證明,本文所討論的解析方法是完全可行的,系統(tǒng)的運行速度也是令人滿意的。

          隨著計算機與嵌入式系統(tǒng)的普及,人們的生活方式正在發(fā)生了巨大的變化,雖然本文提到的嵌入式樂譜閱讀器還沒有形成產(chǎn)品,但勢必取代現(xiàn)有的紙質(zhì)樂譜。另外,本系統(tǒng)目前只有閱讀功能,還可以增加音樂播放功能,這樣就可以進行五線譜的學習,對于正處于學習階段的學生來說,是一個非常好的助手。

          本文作者創(chuàng)新點:本文所作的研究彌補了樂譜數(shù)字化的最后一個環(huán)節(jié)――數(shù)字化閱讀。盡管存在著各種打譜軟件、作曲軟件、播放軟件,但演奏者目前還沒有一個適合的閱讀器。本文嘗試將數(shù)字化樂譜通過嵌入式閱讀設(shè)備顯示給演奏者,替代傳統(tǒng)笨重的紙質(zhì)樂譜,極大的減輕了演奏者的負擔。同時由于互聯(lián)網(wǎng)上存在大量的MIDI格式的文件,但五線譜格式的文件很少而且格式不公開,需要配備價格昂貴的專業(yè)軟件。而本系統(tǒng)可以直接將其轉(zhuǎn)換為五線譜閱讀,為使用者的學習工作提供了方便。

          參考文獻:

          [1]袁慧梅,宋宇.基于CPLD的MIDI音樂播放器的[J].微計算機信息,2006,11:143-145
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          [3]MIDITrans - A MIDI File Transform Language Roger T.Hartley,1998
          [4]Standard MIDI File(SMF) Format ,MIDI Manufacturer's Association,1999
          [5]MIDI Specification version1.0, MIDI Manufacturer's Association,1999
          [6]General MIDI Level 1, MIDI Manufacturer's Association,1999

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