1.MIDI概述
MIDI是MusicalInstrumentDigitalInterface的首写字母组合词,可译成"电子乐器数字接口".用于在音乐合成(musicsynthesizers),乐器(musicalinstruments)和计算机之间交换音乐信息的一种标准协议.MIDI是乐器和计算机使用的标准语言,是一套指令(即命令的约定),它指示乐器即MIDI设备要做什么,怎么做,如演奏音符,加大音量,生成音响效果等.MIDI不是声音信号,在MIDI电缆上传送的不是声音,而是发给MIDI设备或其它装置让它产生声音或执行某个动作的指令。
2.MIDI标准下列几个优点:
生成的文件比较小,因为MIDI文件存储的是命令,而不是声音波形;容易编辑,因为编辑命令比编辑声音波形要容易得多;
可以作背景音乐,因为MIDI音乐可以和其它的媒体,如数字电视,图形,动画,话音等一起播放,这样可以加强演示效果.
3.产生MIDI乐音的方法很多,现在用得较多的方法有两种:
一种是(frequencymodulation,FM)合成法,
另一种是乐音样本合成法,也称为波形表(Wavetable)合成法。
4.声音的合成:
让计算机演奏音乐最简单的方法是采用录音/重放的方式.这种方法数据量大.另一种方法是采取合成的方式产生音乐.1976年,FM(frequencymodulation,FM)调频合成法产生,1984年另一种合成技术是乐音样本合成法,也称为波形表(Wavetable)合成法产生.
5.一,调频音乐合成
音乐包括确定的基频谱和这个基频整数倍的谐波谱.这是与噪声不同的地方.一个音乐必须有音高,音色,响度和持续时间4个因素.
音高是指声波的基频.基频越低给人的感觉越低沉.
音色是由声音的频谱决定.人们能分辨出相同音高的小提琴和钢琴的声音,是因为它们的音色不同.小号有较强的穿透力是其声音中的高次谐波非常丰富.
响度可通过调节声波的整体幅度来实现.
时值的变化导致旋律的进行,或平缓,或跳跃.
通过对上述参数的控制来合成音乐是FM的基本思想.FM合成器生成乐音的基本原理由5个基本模块组成:
数字载波器,调制器,声音包络发生器,数字运算器和模数转换器.
6.声音合成器的波形
各种不同乐音的产生是通过组合各种波形和各种波形参数并采用各种不同的方法实现的.用什么样的波形作为数字载波波形,用什么样的波形作为调制波形,用什么样的波形参数去组合才能产生所希望的乐音,这就是FM合成器的算法.改变数字载波频率可以改变乐音的音调,改变它的幅度可以改变它的音量.改变波形的类型,如用正弦波,半正弦波或其它波形,会影响基本音调的完整性.快速改变调制波形的频率(即音调周期)可以改变颤音的特性.改变反馈量,就会改变正常的音调,产生刺耳的声音.选择的算法不同,载波器和调制器的相互作用也不同,生成的音色也不同.通过改变FM合成器参数,可以生成不同的乐音.
7.乐音样本合成声音
使用FM合成法来产生各种逼真的乐音是相当困难的,有些乐音几乎不能产生,因此很自然地就转向乐音样本合成法.这种方法就是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来,播放时改变播放速度,从而改变音调周期,生成各种音阶的音符.乐音样本的采集相对比较直观.音乐家在真实乐器上演奏不同的音符,选择44.1k Hz的采样频率,16位的乐音样本,这相当于CD-DA的质量,把不同音符的真实声音记录下来,这就完成了乐音样本的采集.乐音样本通常放在ROM芯片上,ROM是超大规模集成电路(verylargescaleintegrated, VLSI)芯片.
8.MIDI消息
MIDI设备使用的一系列MIDI音符,可被认为是告诉音乐合成器如何播放一小段音乐的指令.因为MIDI数据是一套音乐符号的定义,而不是实际的音乐声音,因此MIDI文件的内容被称为MIDI消息。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.在状态字节中,最高有效位设置成"1",低4位用来表示这个MIDI消息是属于哪个通道,4位可表示16个可能的通道,其余3位的设置表示这个MIDI消息是什么类型的消息.MIDI消息可分成通道消息(ChannelMessages)和系统消息(SystemMessages)两大类,
任何电子乐器,只要有处理MIDI信息的处理器和适当的硬件接口都能变成MIDI装置.MIDI间靠这种接口传递消息,消息是乐谱的数据描述.
9.MIDI接口
MIDI乐器上的MIDI接口通常包含3种不同的MIDI连接器,为IN(输入),OUT(输出)和THRU(穿越).
MIDI数据流通常由MIDI控制器(MIDIcontroller)产生,如乐器键盘(musicalinstrumentkeyboard),或者由MIDI音序器(MIDIsequencer)产生.MIDI控制器是当作乐器使用的一种设备,在播放时把演奏转换成实时的MIDI数据流,MIDI音序器是一种装置,允许MIDI数据被捕获,存储,编辑,组合和重奏.来自MIDI控制器或者音序器的MIDI数据输出通过该装置的MIDIOUT连接器传输.
MIDI数据流的接收设备是MIDI声音发生器(MIDIsoundgenerator)或者MIDI声音模块，它们在MIDIIN端口接收MIDI信息(MIDImessages),然后播放声音.MIDI系统由一个MIDI键盘控制器和一个MIDI声音模块组成.许多MIDI键盘乐器在其内部既包含键盘控制器,又包含MIDI声音模块功能.在这些单元中,键盘控制器和声音模块之间已经有内部链接,这个链接可以通过该设备中的控制功能(localcontrol)对链接打开(ON)或者关闭(OFF).
10.MIDI系统组成
单个物理MIDI通道(MIDIchannel)分成16个逻辑通道,每个逻辑通道可指定一种乐器,如下图所示.在MIDI信息(MIDImessages)中,用4个二进制位来表示这16个逻辑通道.音乐键盘可设置在这16个通道之中的任何一个,而MIDI声源或者声音模块可被设置在指定的MIDI通道上接收.简单的MIDI系统一个MIDI设备上的MIDIIN连接器接收到的信息可通过MIDITHRU连接器输出到另一个MIDI设备,并可以菊花链的方式连接多个MIDI设备,这样就组成了一个复杂的MIDI系统,MIDI键盘控制器对MIDI音序器(MIDIsequencer)来说是一个输入设备,而音序器的MIDIOUT端口连接了几个声音模块.作曲家可使用这样的系统来创作几种不同乐音组成的曲子,每次在键盘上演奏单独的曲子.这些单独曲子由音序器记录下来,然后音序器通过几个声音模块一起播放.每一曲子在不同的MIDI通道上播放,而声音模块可分别设置成接收不同的曲子.例如,声音模块1可设置成播放钢琴声并在通道1接收信息,模块2设置成播放低音并在通道5接收信息,而模块2设置成播放鼓乐器并在通道10上接收消息等.PC机构造的MIDI系统使用的声音模块就是一种单独的多音色声音模块.在这种系统中,PC机使用内置的MIDI接口卡,用来把MIDI数据发送到外部的多音色MIDI合成器模块.像多媒体演示程序,教育软件或者游戏等应用软件,它们把信息通过PC总线发送到MIDI接口卡.MIDI接口卡把信息转换成MIDI消息(MIDImessages),然后送到多音色声音模块同时播放出许多不同的乐音,例如钢琴声,低音和鼓声.使用安装在PC机上的高级的MIDI音序器软件,用户可把MIDI键盘控制器(MIDIkeyboardcontroller)连接到MIDI接口卡的MIDIIN端口,也可以有相同的音乐创作功能.使用PC机构造MIDI系统可以有不同的方案.例如,可把MIDI接口和MIDI声音模块组合在PC添加卡上.多媒体个人计算机MPC(MultimediaPC)规范就要求PC添加卡上必须有这样的声音模块,称为合成器(synthesizer).通过已有的电子波形来产生声音的合成器称为FM合成器(FMsynthesis),而通过存储的乐音样本来产生声音的合成器称为波表合成器(wavetablesynthesis).
11.常用的数字音频文件
在多媒体计算机中,通常将音频文件分为波形文件和非波形文件两类.
1.波形文件:属于获取声音文件,即模拟音频信号经数字化后由计算机处理,存储及传输,输出时经D/A转换将数字信号还原为原来的波形音频文件.
(1)Wave文件:(2)VOC文件:(3)PCM文件:(4)MP3文件:
是利用MPEGLayer3标准压缩编码的一种音频文件格式(.MP3).按压缩质量和编码复杂程度,MPEG标准制定了三个高性能音频数据编码方案:Layer1,Layer2,Layer3.对CD音质Wav文件的压缩,Layer1和Layer2的压缩率分别为1:4和1:6~8,而Layer3可达1:10~12.若CD音质的文件需要10MB空间,则MP3可压缩到1MB而基本上不失真.解决了较小空间存储大量音频文件难题,而音质几乎达到近乎完美的CD音质.
(5)RealAudio文件:是Realnetworks推出的一种采用压缩技术和流式播放技术而形成的音频文件(.AU).其压缩比可达到1:96.因此该文件适用于网络广播,点歌及语音教学等方面.此外还有适用于音频,视频的.RA,.RM文件等.
2.非波形文件:属于合成声音文件,即通过语音合成器产生相应声音的非波形格式的MIDI文件
(MusicalInstrumentDigitalInterface)