2001年第5期微機發(fā)展文章編號:1005- 3751( 2001 )5- 0001 - 03MIDI音樂合成的研究與實現(xiàn)The Research and Development of Music Synthesis Technology of MIDI沈昌松羅曉沛中國科學技術(shù)大學研究生院計算機科學系北京100039 )SHEN Chang- song ,LUO Xiao-pe( Graduate School of Univ. of Science & Techn. of China , Beijing 100039 ,China)摘要:樂器數(shù)字接口 MIDI是用于在合成器上記錄和播放音研究極少。目前合成器的類型主要有兩種:頻率調(diào)制樂的一種協(xié)議現(xiàn)已廣泛應用于計算機的多媒體應用及游戲FM合成和波形表( Wavetable 冶成。FM 合成是使高頻中。MIDI的核心技術(shù)是合成,目前國內(nèi)對這方面的研究極振蕩波的頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式;少。本文論述了采用ADSR技術(shù)進行波表合成的方法。這種而利用波表合成的音樂的效果更逼真,因為在波表合方法現(xiàn)已應用在實際的產(chǎn)品中并取得了很好的效果。成方式中每種樂器對應一種波形或多種波形合成音關(guān)鍵詞:MIDI ;ADSR ;合成樂時以查表方式獲取樂器波形通過D/A轉(zhuǎn)換器和揚.ABSTRACT :Music Instrument Digital Interfac( MIDI ) is a protocol聲器輸出。我們所采用的是波表合成技術(shù)。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實現(xiàn)方案has been rarely researched in local. This paper presents a wavetable2.1循環(huán) Loop )與包絡( Envelope )synthesis method to develop it with ADSR technology. This method為了節(jié)省采樣內(nèi)存空間我們采用了對采樣聲音has been used in products and desirable results have been achieved.段的循環(huán)技術(shù)。對于大多數(shù)樂器的聲音來說,可以分KEYWORDS :MIDI ;ADSR Synthesis為兩個主要的部分Attack 段和Sustain 段。Attack 段是中圖分類號:TN912.33文獻標識碼 :A聲音的啟始部分在這部分內(nèi)聲音的幅度以及頻譜特性改變非?？霺ustain 段緊接著Attack 段這部分聲音1前言的特性改變相對平緩。樂器數(shù)字接口MID[ Musical Instrument Digital Inter-圖1顯示了一個具有Attack 段和Sustain段的波face )是數(shù)字音樂的國際標準。任何電子樂器,只要有形。在這個例子中Sustain 段的頻譜特性保持不變而處理MIDI消息的微處理器并有合適的硬件接口都幅度以一個固定的比率遞減。當然這個例子有些夸可成為一個MIDI設備。相對于其它的音樂格式來說,張但實際樂器的聲音在Sustain段內(nèi)特性改變確實很MIDI最大的特點是它不象其它音樂格式的數(shù)據(jù)代表小。這樣在波表合成中，我們可以只存儲Sustain段的的是實際的聲音數(shù)據(jù),它的數(shù)據(jù)代表的是音樂怎樣產(chǎn)-小段在播放時對這-小段循環(huán)使用。通過這種方生的指令所以它的數(shù)據(jù)量要比其它音樂格式少得多。法就能節(jié)省大量的內(nèi)存空間。而這種循環(huán)技術(shù)得到的半小時的立體聲16位高品質(zhì)音樂如果用波形文件無聲音效果與實際Sustain段的聲音效果非常接近。壓縮錄制,約需300MB的存儲空間。而同樣時間的MIDI數(shù)據(jù)大約只需200kB兩者相差1500倍之多。在播放較長的音樂時MIDI的效果就更為突出。對MIDI數(shù)據(jù)的編輯和修改也很靈活在音序器的幫助下用戶wwwW可以自由地改變音調(diào)、音色等屬性直到自己想要的效中國煤化工果。波形文件就很難做到這一點。正因為這些優(yōu)點,MIDI 已廣泛應用于計算機的多MHCNM HGSuanSeton媒體應用及游戲中。MIDI的核心技術(shù)是合成然而,國內(nèi)對這方面的圖1聲音的 Atack段和Susain段對于許多弦樂器來講，聲音的頻譜特性在Sustain[收稿日期]方數(shù)掘段改變極小,而信號的幅度逐步遞減。這種情況可以微機發(fā)展2001年第5期通過在播放過程中把循環(huán)的采樣數(shù)據(jù)乘以-個遞減的變調(diào)是通過播放時以不同的速率去取采樣數(shù)據(jù)得增益系數(shù)來得到所需的包絡。聲音的幅度包絡通常分到的。比如用一個指針指向采樣的數(shù)據(jù)每次取完一為幾個線性部分。我們所采用的也是現(xiàn)在最常見的是個數(shù)據(jù)后指針加1 ,這就得到了實際采樣的聲調(diào)。而分為4個線性部分的Attack - Decay - Sustain - Release當指針每次取完一個數(shù)據(jù)后指針加2時,所得到的聲( ADSR泡絡。圖2描述了一個典型的ADSR幅度包調(diào)頻率增加一倍，也就是聲調(diào)提高了一個八度音階。絡。圖3是把ADSR包絡應用到圖1中的循環(huán)波形得在上述例子中采樣內(nèi)存指針以整數(shù)增加這樣只到的結(jié)果。能得到有限的變調(diào)。我們所采用的方法是把內(nèi)存指針分為整數(shù)部分和小數(shù)部分,并且增加值可以為小數(shù)。可以稱內(nèi)存指針為相位累加器”而增加值稱為相位累加值"。相位累加器的整數(shù)部分用于尋址小數(shù)部分用于保持頻率精度。比如,當相位累加值為0.5時聲Bantan調(diào)頻率減少一倍,也就是聲調(diào)降低了一個八度音階,而.如果相位累加值為1. 05946( 21/12 )時，聲調(diào)就提高了圖2一個典型的ADSR幅度包絡半音如果原來是C調(diào)那么現(xiàn)在就是C#調(diào)。2.4 插值( Interpolation )當相位累加器的小數(shù)部分不等于0時,所要取的值就落到了采樣的數(shù)據(jù)之間。一個簡單的方法就是把小數(shù)部分忽略掉或者采用最接近的采樣值來代替。我們采用的辦法是線性插值。把小數(shù)部分作為權(quán)重Suman .值假設相位累加器的值為(N+K)其中N為整數(shù)部分,K為小數(shù)部分。那么插值可以這么計算S(N+ K)=(1-K)X(N)+(K)(N+1)圖3應用到循環(huán)采樣段的 ADSR包絡2.5低頻振蕩器( Low - Frequency Osillators )我們的波表中存儲了各種樂器的起始段和用于循顫音( Vibrato )和震音( Tremolo )是常見的兩種音環(huán)的段的采樣數(shù)據(jù)。起始部分僅僅播放一次然后循環(huán)效。顫音實際上是聲調(diào)的低頻調(diào)制而震音是聲調(diào)的部分重復播放直到音符結(jié)束。-個包絡產(chǎn)生函數(shù)用于幅度調(diào)制。這些效果都是通過在合成加入低頻振蕩器針對特定樂器產(chǎn)生合適的包絡這個包絡就應用于播放進行頻率和幅度調(diào)制來得到的。時的輸出數(shù)據(jù)。當收到一個Note On消息時開始播放2.6數(shù)字濾 波器( Digital Filtering)初始波形并應用包絡的Atack段。初始段的長度由這變調(diào)雖然減少了內(nèi)存,但也引入偽噪音。我們在段采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)決定。對于-一個給定的樂器來說它合成時加入了數(shù)字濾波器以減少這種變調(diào)過程所引入的包絡的Attack段和Decay段也是固定的。Sustain 段持的偽噪音。實際應用過程中我們對MIDI的24個復續(xù)播放循環(huán)采樣段并加上Sustain 包絡。當收到一個音每個均使用了不同的濾波器以達到更好的效果。Note Of事件時,它觸發(fā)包絡的Release段。2.2循環(huán)長度( Length of Loop )3結(jié)束語循環(huán)的長度以采樣數(shù)來計量。它應等于基調(diào)周期MIDI音樂波表合成技術(shù)由于采用的是真實樂器的整數(shù)倍否則就會在循環(huán)開始時聽到一個刺耳的變的采樣所以聲音效果自然要遠遠超過FM合成現(xiàn)在調(diào)音。在我們的波表采樣中,由于還含有真實的顫音,中國煤化工廣泛運用各類波表聲卡、所以循環(huán)長度還應是顫音周期的整數(shù)倍。CHCN MH G述了采用ADSR技術(shù)進行2.3變調(diào)( Pitch Shifting)波表合成的萬法。仕頭際應用中,讀者完全可以根據(jù)為了減少采樣內(nèi)存我們采用了變調(diào)技術(shù)，以達到本文提供的設計思想設計自己所需的合成技術(shù)。從一種給定樂器的一種聲音的采樣數(shù)據(jù)得到其它聲音由于MIDI音樂合成技術(shù)在國內(nèi)還是一種涉入尚的效果。比如采樣內(nèi)存中含有鋼琴的中調(diào)C的采樣淺的技術(shù)因此還有許多值得探討的問題我們將在今數(shù)據(jù)那么我們的頓利用它得到C#或D調(diào)。后的工作中不斷地深入和完善。[參考文獻][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"防方數(shù)據(jù)[5] 胡曉峰. 多媒體系統(tǒng)原理與應用M].人民郵電出版社,1995.