MIDI音乐合成的研究与实现

2001年第5期微机发展文章编号:1005- 3751( 2001 )5- 0001 - 03MIDI音乐合成的研究与实现The Research and Development of Music Synthesis Technology of MIDI沈昌松罗晓沛中国科学技术大学研究生院计算机科学系北京100039 )SHEN Chang- song ,LUO Xiao-pe( Graduate School of Univ. of Science & Techn. of China , Beijing 100039 ,China)摘要:乐器数字接口 MIDI是用于在合成器上记录和播放音研究极少。目前合成器的类型主要有两种:频率调制乐的一种协议现已广泛应用于计算机的多媒体应用及游戏FM合成和波形表( Wavetable 冶成。FM 合成是使高频中。MIDI的核心技术是合成,目前国内对这方面的研究极振荡波的频率按调制信号规律变化的一种调制方式;少。本文论述了采用ADSR技术进行波表合成的方法。这种而利用波表合成的音乐的效果更逼真,因为在波表合方法现已应用在实际的产品中并取得了很好的效果。成方式中每种乐器对应一种波形或多种波形合成音关键词:MIDI ;ADSR ;合成乐时以查表方式获取乐器波形通过D/A转换器和扬.ABSTRACT :Music Instrument Digital Interfac( MIDI ) is a protocol声器输出。我们所采用的是波表合成技术。designed for recording and playing back music on digital synthesizeron electrical devices. It has been widely used in multi - media appli-cation and games of computer. Its core technology is synthesis , which2实现方案has been rarely researched in local. This paper presents a wavetable2.1循环 Loop )与包络( Envelope )synthesis method to develop it with ADSR technology. This method为了节省采样内存空间我们采用了对采样声音has been used in products and desirable results have been achieved.段的循环技术。对于大多数乐器的声音来说,可以分KEYWORDS :MIDI ;ADSR Synthesis为两个主要的部分Attack 段和Sustain 段。Attack 段是中图分类号:TN912.33文献标识码 :A声音的启始部分在这部分内声音的幅度以及频谱特性改变非常快Sustain 段紧接着Attack 段这部分声音1前言的特性改变相对平缓。乐器数字接口MID[ Musical Instrument Digital Inter-图1显示了一个具有Attack 段和Sustain段的波face )是数字音乐的国际标准。任何电子乐器,只要有形。在这个例子中Sustain 段的频谱特性保持不变而处理MIDI消息的微处理器并有合适的硬件接口都幅度以一个固定的比率递减。当然这个例子有些夸可成为一个MIDI设备。相对于其它的音乐格式来说,张但实际乐器的声音在Sustain段内特性改变确实很MIDI最大的特点是它不象其它音乐格式的数据代表小。这样在波表合成中，我们可以只存储Sustain段的的是实际的声音数据,它的数据代表的是音乐怎样产-小段在播放时对这-小段循环使用。通过这种方生的指令所以它的数据量要比其它音乐格式少得多。法就能节省大量的内存空间。而这种循环技术得到的半小时的立体声16位高品质音乐如果用波形文件无声音效果与实际Sustain段的声音效果非常接近。压缩录制,約需300MB的存储空间。而同样时间的MIDI数据大约只需200kB两者相差1500倍之多。在播放较长的音乐时MIDI的效果就更为突出。对MIDI数据的编辑和修改也很灵活在音序器的帮助下用户wwwW可以自由地改变音调、音色等属性直到自己想要的效中国煤化工果。波形文件就很难做到这一点。正因为这些优点,MIDI 已广泛应用于计算机的多MHCNM HGSuanSeton媒体应用及游戏中。MIDI的核心技术是合成然而,国内对这方面的图1声音的 Atack段和Susain段对于许多弦乐器来讲，声音的频谱特性在Sustain[收稿日期]方数掘段改变极小,而信号的幅度逐步递减。这种情况可以微机发展2001年第5期通过在播放过程中把循环的采样数据乘以-个递减的变调是通过播放时以不同的速率去取采样数据得增益系数来得到所需的包络。声音的幅度包络通常分到的。比如用一个指针指向采样的数据每次取完一为几个线性部分。我们所采用的也是现在最常见的是个数据后指针加1 ,这就得到了实际采样的声调。而分为4个线性部分的Attack - Decay - Sustain - Release当指针每次取完一个数据后指针加2时,所得到的声( ADSR泡络。图2描述了一个典型的ADSR幅度包调频率增加一倍，也就是声调提高了一个八度音阶。络。图3是把ADSR包络应用到图1中的循环波形得在上述例子中采样内存指针以整数增加这样只到的结果。能得到有限的变调。我们所采用的方法是把内存指针分为整数部分和小数部分,并且增加值可以为小数。可以称内存指针为相位累加器”而增加值称为相位累加值"。相位累加器的整数部分用于寻址小数部分用于保持频率精度。比如,当相位累加值为0.5时声Bantan调频率减少一倍,也就是声调降低了一个八度音阶,而.如果相位累加值为1. 05946( 21/12 )时，声调就提高了图2一个典型的ADSR幅度包络半音如果原来是C调那么现在就是C#调。2.4 插值( Interpolation )当相位累加器的小数部分不等于0时,所要取的值就落到了采样的数据之间。一个简单的方法就是把小数部分忽略掉或者采用最接近的采样值来代替。我们采用的办法是线性插值。把小数部分作为权重Suman .值假设相位累加器的值为(N+K)其中N为整数部分,K为小数部分。那么插值可以这么计算S(N+ K)=(1-K)X(N)+(K)(N+1)图3应用到循环采样段的 ADSR包络2.5低频振荡器( Low - Frequency Osillators )我们的波表中存储了各种乐器的起始段和用于循颤音( Vibrato )和震音( Tremolo )是常见的两种音环的段的采样数据。起始部分仅仅播放一次然后循环效。颤音实际上是声调的低频调制而震音是声调的部分重复播放直到音符结束。-个包络产生函数用于幅度调制。这些效果都是通过在合成加入低频振荡器针对特定乐器产生合适的包络这个包络就应用于播放进行频率和幅度调制来得到的。时的输出数据。当收到一个Note On消息时开始播放2.6数字滤 波器( Digital Filtering)初始波形并应用包络的Atack段。初始段的长度由这变调虽然减少了内存,但也引入伪噪音。我们在段采样数据的个数决定。对于-一个给定的乐器来说它合成时加入了数字滤波器以减少这种变调过程所引入的包络的Attack段和Decay段也是固定的。Sustain 段持的伪噪音。实际应用过程中我们对MIDI的24个复续播放循环采样段并加上Sustain 包络。当收到一个音每个均使用了不同的滤波器以达到更好的效果。Note Of事件时,它触发包络的Release段。2.2循环长度( Length of Loop )3结束语循环的长度以采样数来计量。它应等于基调周期MIDI音乐波表合成技术由于采用的是真实乐器的整数倍否则就会在循环开始时听到一个刺耳的变的采样所以声音效果自然要远远超过FM合成现在调音。在我们的波表采样中,由于还含有真实的颤音,中国煤化工广泛运用各类波表声卡、所以循环长度还应是颤音周期的整数倍。CHCN MH G述了采用ADSR技术进行2.3变调( Pitch Shifting)波表合成的万法。仕头际应用中,读者完全可以根据为了减少采样内存我们采用了变调技术，以达到本文提供的设计思想设计自己所需的合成技术。从一种给定乐器的一种声音的采样数据得到其它声音由于MIDI音乐合成技术在国内还是一种涉入尚的效果。比如采样内存中含有钢琴的中调C的采样浅的技术因此还有许多值得探讨的问题我们将在今数据那么我们的顿利用它得到C#或D调。后的工作中不断地深入和完善。[参考文献][3] Downloadable Sounds Level 2. Version 1.1d M ]. MIDI Manufacturers[1] MIDI speificaio[ M ]. Versionl .0.Association.[2] Downloadable Sounds Level 1. Version 1. 1d[ M ]. MIDI Manufacturers[4] Multimedia Computing , Communications & Application[ M ] Ralf Stein-metz , Pentice Hall ,1997 .Asociatie"防方数据[5] 胡晓峰. 多媒体系统原理与应用M].人民邮电出版社,1995.