MIDI音樂(lè )合成的研究與實(shí)現

2001年第5期微機發(fā)展文章編號:1005- 3751( 2001 )5- 0001 - 03MIDI音樂(lè )合成的研究與實(shí)現The Research and Development of Music Synthesis Technology of MIDI沈昌松羅曉沛中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院計算機科學(xué)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(lè )器數字接口 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(lèi)型主要有兩種:頻率調制樂(lè )的一種協(xié)議現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,目前國內對這方面的研究極振蕩波的頻率按調制信號規律變化的一種調制方式;少。本文論述了采用ADSR技術(shù)進(jìn)行波表合成的方法。這種而利用波表合成的音樂(lè )的效果更逼真,因為在波表合方法現已應用在實(shí)際的產(chǎn)品中并取得了很好的效果。成方式中每種樂(lè )器對應一種波形或多種波形合成音關(guān)鍵詞:MIDI ;ADSR ;合成樂(lè )時(shí)以查表方式獲取樂(lè )器波形通過(guò)D/A轉換器和揚.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(shí)現方案has been rarely researched in local. This paper presents a wavetable2.1循環(huán) Loop )與包絡(luò )( Envelope )synthesis method to develop it with ADSR technology. This method為了節省采樣內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)。對于大多數樂(lè )器的聲音來(lái)說(shuō),可以分KEYWORDS :MIDI ;ADSR Synthesis為兩個(gè)主要的部分Attack 段和Sustain 段。Attack 段是中圖分類(lèi)號:TN912.33文獻標識碼 :A聲音的啟始部分在這部分內聲音的幅度以及頻譜特性改變非?？霺ustain 段緊接著(zhù)Attack 段這部分聲音1前言的特性改變相對平緩。樂(lè )器數字接口MID[ Musical Instrument Digital Inter-圖1顯示了一個(gè)具有Attack 段和Sustain段的波face )是數字音樂(lè )的國際標準。任何電子樂(lè )器,只要有形。在這個(gè)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(gè)固定的比率遞減。當然這個(gè)例子有些夸可成為一個(gè)MIDI設備。相對于其它的音樂(lè )格式來(lái)說(shuō),張但實(shí)際樂(lè )器的聲音在Sustain段內特性改變確實(shí)很MIDI最大的特點(diǎn)是它不象其它音樂(lè )格式的數據代表小。這樣在波表合成中，我們可以只存儲Sustain段的的是實(shí)際的聲音數據,它的數據代表的是音樂(lè )怎樣產(chǎn)-小段在播放時(shí)對這-小段循環(huán)使用。通過(guò)這種方生的指令所以它的數據量要比其它音樂(lè )格式少得多。法就能節省大量的內存空間。而這種循環(huán)技術(shù)得到的半小時(shí)的立體聲16位高品質(zhì)音樂(lè )如果用波形文件無(wú)聲音效果與實(shí)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(shí)間的MIDI數據大約只需200kB兩者相差1500倍之多。在播放較長(cháng)的音樂(lè )時(shí)MIDI的效果就更為突出。對MIDI數據的編輯和修改也很靈活在音序器的幫助下用戶(hù)wwwW可以自由地改變音調、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(diǎn)。正因為這些優(yōu)點(diǎn),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,國內對這方面的圖1聲音的 Atack段和Susain段對于許多弦樂(lè )器來(lái)講，聲音的頻譜特性在Sustain[收稿日期]方數掘段改變極小,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(guò)在播放過(guò)程中把循環(huán)的采樣數據乘以-個(gè)遞減的變調是通過(guò)播放時(shí)以不同的速率去取采樣數據得增益系數來(lái)得到所需的包絡(luò )。聲音的幅度包絡(luò )通常分到的。比如用一個(gè)指針指向采樣的數據每次取完一為幾個(gè)線(xiàn)性部分。我們所采用的也是現在最常見(jiàn)的是個(gè)數據后指針加1 ,這就得到了實(shí)際采樣的聲調。而分為4個(gè)線(xiàn)性部分的Attack - Decay - Sustain - Release當指針每次取完一個(gè)數據后指針加2時(shí),所得到的聲( ADSR泡絡(luò )。圖2描述了一個(gè)典型的ADSR幅度包調頻率增加一倍，也就是聲調提高了一個(gè)八度音階。絡(luò )。圖3是把ADSR包絡(luò )應用到圖1中的循環(huán)波形得在上述例子中采樣內存指針以整數增加這樣只到的結果。能得到有限的變調。我們所采用的方法是把內存指針?lè )譃檎麛挡糠趾托挡糠?并且增加值可以為小數?？梢苑Q(chēng)內存指針為相位累加器”而增加值稱(chēng)為相位累加值"。相位累加器的整數部分用于尋址小數部分用于保持頻率精度。比如,當相位累加值為0.5時(shí)聲Bantan調頻率減少一倍,也就是聲調降低了一個(gè)八度音階,而.如果相位累加值為1. 05946( 21/12 )時(shí)，聲調就提高了圖2一個(gè)典型的ADSR幅度包絡(luò )半音如果原來(lái)是C調那么現在就是C#調。2.4 插值( Interpolation )當相位累加器的小數部分不等于0時(shí),所要取的值就落到了采樣的數據之間。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是把小數部分忽略掉或者采用最接近的采樣值來(lái)代替。我們采用的辦法是線(xiàn)性插值。把小數部分作為權重Suman .值假設相位累加器的值為(N+K)其中N為整數部分,K為小數部分。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(luò )2.5低頻振蕩器( Low - Frequency Osillators )我們的波表中存儲了各種樂(lè )器的起始段和用于循顫音( Vibrato )和震音( Tremolo )是常見(jiàn)的兩種音環(huán)的段的采樣數據。起始部分僅僅播放一次然后循環(huán)效。顫音實(shí)際上是聲調的低頻調制而震音是聲調的部分重復播放直到音符結束。-個(gè)包絡(luò )產(chǎn)生函數用于幅度調制。這些效果都是通過(guò)在合成加入低頻振蕩器針對特定樂(lè )器產(chǎn)生合適的包絡(luò )這個(gè)包絡(luò )就應用于播放進(jìn)行頻率和幅度調制來(lái)得到的。時(shí)的輸出數據。當收到一個(gè)Note On消息時(shí)開(kāi)始播放2.6數字濾 波器( Digital Filtering)初始波形并應用包絡(luò )的Atack段。初始段的長(cháng)度由這變調雖然減少了內存,但也引入偽噪音。我們在段采樣數據的個(gè)數決定。對于-一個(gè)給定的樂(lè )器來(lái)說(shuō)它合成時(shí)加入了數字濾波器以減少這種變調過(guò)程所引入的包絡(luò )的Attack段和Decay段也是固定的。Sustain 段持的偽噪音。實(shí)際應用過(guò)程中我們對MIDI的24個(gè)復續播放循環(huán)采樣段并加上Sustain 包絡(luò )。當收到一個(gè)音每個(gè)均使用了不同的濾波器以達到更好的效果。Note Of事件時(shí),它觸發(fā)包絡(luò )的Release段。2.2循環(huán)長(cháng)度( Length of Loop )3結束語(yǔ)循環(huán)的長(cháng)度以采樣數來(lái)計量。它應等于基調周期MIDI音樂(lè )波表合成技術(shù)由于采用的是真實(shí)樂(lè )器的整數倍否則就會(huì )在循環(huán)開(kāi)始時(shí)聽(tīng)到一個(gè)刺耳的變的采樣所以聲音效果自然要遠遠超過(guò)FM合成現在調音。在我們的波表采樣中,由于還含有真實(shí)的顫音,中國煤化工廣泛運用各類(lèi)波表聲卡、所以循環(huán)長(cháng)度還應是顫音周期的整數倍。CHCN MH G述了采用ADSR技術(shù)進(jìn)行2.3變調( Pitch Shifting)波表合成的萬(wàn)法。仕頭際應用中,讀者完全可以根據為了減少采樣內存我們采用了變調技術(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(lè )器的一種聲音的采樣數據得到其它聲音由于MIDI音樂(lè )合成技術(shù)在國內還是一種涉入尚的效果。比如采樣內存中含有鋼琴的中調C的采樣淺的技術(shù)因此還有許多值得探討的問(wèn)題我們將在今數據那么我們的頓利用它得到C#或D調。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"防方數據[5] 胡曉峰. 多媒體系統原理與應用M].人民郵電出版社,1995.