2018-11-14 MIDI音乐格式笔记学习

2018-11-14 MIDI音乐格式笔记学习

reference:
https://www.midifan.com/modulearticle-detailview-901.htm

关于MIDI文件格式

目前已知的:

  1. .mid文件属于二进制文件,可以通过电脑或者手机上的音乐播放器直接播放。
  2. 若需要阅读(观看)midi格式文件,可以使用binary viewer等二进制读取器打开。

通过研究,格式如下:

文件格式

主要包含两部分:首部块(Header chunk)音轨块(track chunk)
其格式分别为:

MThd <数据长度> <Header数据> //首部块
MTrk <数据长度> <Track模块> //音轨块

例如读取到的:
MIDI源码之一
其中:

Header Chunk

/* 
4D 54 68 64 
00 00 00 06 
00 01                 ff ff
00 06                 nn nn 指定轨道数:实际音轨数加上全局的音轨
00 60                 dd dd指定基本时间:一般为120 (00 78),即一个四分音符的tick数,tick是MIDI中的最小时间单位
*/

char Midild[4];  //MIDI文件头标志,一般为MThd 
long length;     //文件首部数据长度(除它本身和文件头标志专用的字节以外),通常他设置为6,即下面三个部分的字节长度
int format;        //表示MIDI文件存放的格式,包括:                                
// 0)当format为0时只有一个Track Chunk,
// 1)当format为1时有一个或多个Track Chunk
// 2)当format为2时只有一个或多个各自独立的Track Chunk
int TrackNum; 
int division;   //指定了计数的方法

其中对于division的详细说明:
division讲解

在上面我们注意到以下问题:上面的数据结构默认了:long类型是4Byte,int为2Byte,char为1Byte。

音轨块 track chunk

音轨块用来播放音乐文件的数据信息,每一个track chunk对应着一组MIDI码,它由**头部信息和若干个音轨事件(mtrk event)**构成。
头部为:

/* 头部信息
4D 54 72 6B      ASCII:Mtrk
00 00 00 0C                 表示后面有12位的数据
*/
/*
00 FF 58 04 04 02 18 08 00 FE 2E 00 


*/

char TrackChunkId[4];      //Track Chunk标志MTrk
long TrackChunkMsgLength;  //该Track Chunk信息长度

Mtrk event是由事件计数值(dela-time)和event(MIDI码信息)组合而成的,即
< Mtrk > = < dela-time > < event >
emmmmm

使用WriteLengthToBuf()函数

目的是为了完成时间值二进制的转换

源代码(这个C代码不是我写的,但是值得学习)

  #include <stdlib.h>
  #include <stdio.h>
  #include <io.h>
  #include <string.h>
  #define C1 60 //C调1的键名值
  #define FOURPAINUM 64 //1/4音符计数
  #define MIDICLOCK 24 //每1/64音符的MIDICLOCK数
  #define JumpNullChar(x) / //跳过空字符
   { /
   while(*x==' ' /
   ||*x=='/t' /
   ||*x=='/n' /
   ||*x=='|') /
   x++; /
   };
  enum ERRORCODE{ //处理错误信息
   ChangeOK, //转换成功
   TextFileNotOpen, //文本文件不能打开
   MidiFileCanNotCreate, //指定的MIDI文件不能建立
   TextFileToBig, //文本文件太大
   MallocError, //内存分配错误
   InvalideChar, //在文本文件中出现了非法字符
   NotFoundTrack, //没有找到指定的磁道信息
   NotMIDITextFile, //文本文件不是MIDI文本文件
   };
  void SWAP(char *x,char *y) //两数据交换
  { char i;
   i=*x;
   *x=*y;
   *y=i;
  }
  union LENGHT
  { long length;
  char b[4];
  } ;
  struct MH { //MIDI文件头
  char MidiId[4]; //MIDI文件标志MThd
  long length; //头部信息长度
  int format; //存放的格式
  int ntracks; //磁道数目
  int PerPaiNum; //每节计算器值
  };
  struct TH //音轨头
  { char TrackId[4]; //磁道标志MTrk
   long length; //信息长度
  } ;
  class MIDI
  {
  public:
  char ErrorMsg[100]; //错误信息
  private:
  unsigned char *TextFileBuf,
   *TextFileOldBuf;
  unsigned char *MidiFileBuf,
   *MidiFileOldBuf;
  char OneVal; //某调时,1的健值
  char PaiNum; //第一小节节拍总数
  char OnePaiToneNum; //用几分音符作为一基本拍
  public:
  //将符全MIDI书定格式的文本文件生成MIDI文件
  int ChangeTextToMidi(char *TextFileName,
   char *MidiFileName);
  char *GetErrorMsg() //获取错误信息
   { return(ErrorMsg);}
  private:
  char GetCurPaiSpeed(int n); //取当前拍的按下强度
  void WriteSoundSize(char ntrack,unsigned int );
  void SetOnePaiToneNum(int n)
   { OnePaiToneNum=n; };
  void SetOneVal(char *m) ; //取m大调或小调时,1的实际键值
  char GetToneNum(char c, //取记名对应的键值
   char flag) ;
  void WriteMHToFile(long length, //建立MIDI文件头
   int format,
   int ntracks,
   int PerPaiNum,
   FILE *fp);
  void WriteTHToFile(long lenght,
   FILE *fp); //建立MIDI磁道头
  void WriteTrackMsgToFile(FILE *fp);
  //将磁道音乐信息定入文件中
  void WriteSpeed(int speed);
  void SetPaiNum(int n)
   { PaiNum=n;}
  long NewLong(long n); //新的long值
  int NewInt(int n) //新的int值
   { return(n<<8|n>>8);}
  //将n改为可变长度,内入buf处
  void WriteLenghtToBuf(unsigned long n,
   char *buf);
  void ChangePrommgram(char channel, //设置音色
   char promgram);
  void NoteOn (char n, //演奏乐音
   char speed,
   unsigned long delaytime);
  void WriteNoteOn(char,char,char ,unsigned long) ;
  void WriteTextMsg(char *msg); //定一串文本信息
  void WriteTimeSignature(char n, //设置时间信息
   char d);
  void WriteTrackEndMsg(); //设置磁道结束信息
  };

  /**************************************************
  /* 作用:将符合MIDI文本文件的text文件转换成MIDI */
  /* 文件. */
  /* 入口参数:TextFileName 文本文件名 */
  /* MidiFileName MIDI文件名 */
  /* 出口参数:见 ERRORCODE 说明 */
  /*************************************************/
  int MIDI::ChangeTextToMidi(char *TextFileName,
  char *MidiFileName)
  { int tracks,ntrack,delaytime;
  int speed,IsFirst,nn,dd;
  unsigned char buf[80],*msgbuf,c;
  FILE *TextFp,*MidiFp;
  long FileSize;
  char SpeedVal;
  TextFp=fopen(TextFileName,"r");
  if (TextFp==NULL)
  {sprintf(ErrorMsg,
  "文本文件[%s]不能打开。/n",TextFileName);
   return(TextFileNotOpen);
   }
  fseek(TextFp,0,SEEK_END); /*测试文件大小*/
  FileSize=ftell(TextFp);
  TextFileBuf=(char *)malloc(FileSize);/*为文件分配内存*/
  if (TextFileBuf==NULL)
  { sprintf(ErrorMsg,
  "文本文件[%s]太大,没有足够的内存处理。/n",
  TextFileName);
   fclose(TextFp);
   return(TextFileToBig);
  }
  memset(TextFileBuf,0,FileSize);
  MidiFileBuf=(char *) malloc(FileSize*4);
  if ( MidiFileBuf==NULL)
  { sprintf(ErrorMsg,"不能为MIDI文件分配内存。/n");
  fclose(TextFp);
  free(TextFileBuf);
  return(MallocError);
  }
  MidiFp=fopen(MidiFileName,"wb");
  if (MidiFp==NULL)
   { sprintf(ErrorMsg,
  "Midi文件[%s]不能建立。/n",MidiFileName);
   fclose(TextFp);
   free(MidiFileBuf);
   free(TextFileBuf);
   return(MidiFileCanNotCreate);
   }
  MidiFileOldBuf=MidiFileBuf;
  TextFileOldBuf=TextFileBuf;
  fseek(TextFp,0,SEEK_SET);
  fread(TextFileBuf,FileSize,1,TextFp);
  fclose(TextFp);
  JumpNullChar(TextFileBuf);
  c=strnicmp(TextFileBuf,"[MIDI]",6);
  if (c)
  {sprintf(ErrorMsg,
  "文本文件[%s]不是MIDI文本文件。/n",MidiFileName);
  fcloseall();
  free(TextFileOldBuf);
  free(MidiFileOldBuf);
  return(NotMIDITextFile);
  }
  TextFileBuf+=6;
  JumpNullChar(TextFileBuf);
  sscanf(TextFileBuf,"%c,%d/%d,%d,%d", //取调号等信息
  c,nn,dd,speed,tracks);
  buf[0]=c;buf[1]=0; SetOneVal(buf); //设置该调1的键值
  if (nn<1 || nn> 7) nn=4;
  if (dd<2 || dd>16) dd=4;
  while(*TextFileBuf!='/n') TextfileBuf++;
  JumpNullChar(TextFileBuf);
  if (speed<60 || speed >200) speed=120;
  JumpNullChar(TextFileBuf);
  if (tracks<1 || tracks>16) tracks=1;
  JumpNullChar(TextFileBuf);
  ntrack=1;
  WriteMHToFile(6,1,tracks,speed,MidiFp);
  WriteTimeSignature(nn,dd); //设置时间记录格式
  SetPaiNum(nn);
  WriteSpeed(speed); //设置演奏速度
  while(ntrack<=tracks *TextFileBuf!=0)
  {sprintf(buf,"[%d]",ntrack);
  TextFileBuf=strstr(TextFileBuf,buf);//查找该磁道起始位置
  if (TextFileBuf==NULL) //没有找到
  { sprintf(ErrorMsg,
  "在文件[%s]中,第%d磁道音乐信息没找到。/n.",
   TextFileName,ntrack);
   free(MidiFileOldBuf);
   free(TextFileOldBuf);
   fcloseall();
   return(NotFoundTrack);
  }
  if (ntrack!=1) MidiFileBuf=MidiFileOldBuf;
  SpeedVal=0;
  TextFileBuf+=strlen(buf);
  IsFirst=1;
  while(*TextFileBuf!=0 *TextFileBuf!='[')
  { JumpNullChar(TextFileBuf);
  c=*(TextFileBuf++);
  if ( (c>='0' c<='7')
  || (c>='a' c<='g')
  || (c>='A' c<='G')
  )
  {JumpNullChar(TextFileBuf);
   if (*TextFileBuf=='b' || *TextFileBuf=='#')
   { c=GetToneNum(c,*TextFileBuf);/*取出实际的音符*/
   TextFileBuf++;
   JumpNullChar(TextFileBuf);
   }
   else c=GetToneNum(c,' ');
  switch(*(TextFileBuf++))
   { case '-': //延长一拍
   delaytime=2*FOURPAINUM;
   JumpNullChar(TextFileBuf);
   while(*TextFileBuf=='-')
   { TextFileBuf++;
   delaytime+=FOURPAINUM;
   JumpNullChar(TextFileBuf);
   }
   break;
   case '_': //8分音符
   delaytime=FOURPAINUM/2;
   JumpNullChar(TextFileBuf);
   if(*TextFileBuf=='.')
   {TextFileBuf++;
   delaytime=delaytime*3/2;
   }
   break;
   case '=': //16分音符
   delaytime=FOURPAINUM/4;
   JumpNullChar(TextFileBuf);
   if(*TextFileBuf=='.')
   {delaytime=delaytime*3/2;
   TextFileBuf++;}
   break;
   case '.': //附点音符
   delaytime=FOURPAINUM*3/2;
   break;
   case ':': //32分音符
   delaytime=FOURPAINUM/16;
   JumpNullChar(TextFileBuf);
   if(*TextFileBuf=='.')
   {delaytime=delaytime*3/2;
   TextFileBuf++;}
   break;
   case ';': //64分音符
   delaytime=FOURPAINUM/32;
   if(*TextFileBuf=='.')
   { delaytime=delaytime*3/2;
   TextFileBuf++;}
   break;
   default:
   delaytime=FOURPAINUM;
   TextFileBuf--;
   break;
   }

if (IsFirst)
   {WriteNoteOn(ntrack,c,
  GetCurPaiSpeed(SpeedVal/(FOURPAINUM*4/dd)+1),
  delaytime);
   IsFirst=0;}
   else
   NoteOn(c,
  GetCurPaiSpeed(SpeedVal/(FOURPAINUM*4/dd)+1),
  delaytime);
   SpeedVal=(SpeedVal+delaytime) //下一音符所处的节拍
  %(PaiNum*FOURPAINUM*4/dd);
  }
  else
  {switch(c)
  { case 'S':
  case 's':
  case 'p':
  case 'P': /*设置音色*/
   sscanf(TextFileBuf,"%d",IsFirst);
   while(*TextFileBuf>='0' *TextFileBuf<='9')
  TextFileBuf++;
  if (c=='P'||c=='p') //若为P,表示改变音色
   ChangePrommgram(ntrack,(char)IsFirst);
   else //否则,表示设置音量大小
   WriteSoundSize(ntrack,(unsigned int)IsFirst);
   IsFirst=1;
   break;
  case '{': /*写歌词*/
   msgbuf=buf;
   while(*TextFileBuf!='}'
   *TextFileBuf!='/n'
   *TextFileBuf!=0
   *TextFileBuf!='[')
   *(msgbuf++)=*(TextFileBuf++);
   *msgbuf=0;
   IsFirst=1;
   WriteTextMsg(buf);
   if (*TextFileBuf=='}') TextFileBuf++;
   break;
  case '//': //降八度
   OneVal-=12;
   break;
  case '/': //升八度
   OneVal+=12;
   break;
  case '[':
  case 0:
   TextFileBuf--;
   break;
  default:
   sprintf(ErrorMsg,"文本文件[%s]出现非法字符(%c)。",
   TextFileName,c);
   free(MidiFileOldBuf);
   free(TextFileOldBuf);
   fcloseall();
   return(InvalideChar);
   }
  }
  }
  WriteTrackEndMsg(); //设置磁道结束信息
  WriteTrackMsgToFile(MidiFp); //将磁道音乐信息定入文件中
  ntrack++;
  }
  free(MidiFileOldBuf);
  free(TextFileOldBuf);
  fclose(MidiFp);
  sprintf(ErrorMsg,"MIDI文件[%s]转换成功。",MidiFileName);
  return(ChangeOK);
  }
 /*****************************************************/
  /*作用:将长整型数据变成可变长度,存入buf处 */
  /*入口参数:n 数据 buf 结果保存入 */
  /****************************************************/
  void MIDI::WriteLenghtToBuf(unsigned long n,char *buf)
  { unsigned char b[4]={0};
  int i;
  b[3]=(unsigned char)(n0x7f);
  i=2;
  while(n>>7)
  { n>>=7;
   b[i--]=(char)( (n0x7f)|0x80);
   }
  for (i=0;i<4;i++)
  if (b[i]) *(buf++)=b[i];
  *buf=0;
  }
  long MIDI::NewLong(long n) //将长整型数据改成高位在前
  { union LENGHT l={0};
  char i;
  l.length=n;
  SWAP(l.b[3],l.b[0]);
  SWAP(l.b[2],l.b[1]);
  return(l.length);
  }
  //开始演奏音乐
  void MIDI::WriteNoteOn(char channel, //通道号
  char note, //音符值
  char speed, //按键速度
  unsigned long delaytime) //延时数
  { unsigned char buf[5];
  int i;
  channel--;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=0x90|channel0x7f;//Write Channel
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=speed;
  WriteLenghtToBuf(delaytime*MIDICLOCK,buf);
  i=0;
  while(buf[i]>=0x80) //Write Delay Time
   *(MidiFileBuf++)=buf[i++];
  *(MidiFileBuf++)=buf[i];
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  }
  void MIDI::NoteOn(char note,
  char speed,
  unsigned long delaytime) //发音
  { unsigned char buf[5];
  int i;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=speed;
  WriteLenghtToBuf(delaytime*MIDICLOCK,buf);
  i=0;
  while(buf[i]>0x80)
   *(MidiFileBuf++)=buf[i++];
  *(MidiFileBuf++)=buf[i];
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  }
  void MIDI::ChangePrommgram(char channel,char n) //改变音色
  { *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=0xc0|(channel-1)0x7f;
  *(MidiFileBuf++)=n;
  }
  void MIDI::WriteTextMsg(char *msg) //向内存写入一文本信息
  { char bufmsg[100]={0xff,5,0,0,0};
  int len;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  bufmsg[2]=(char)strlen(msg);
  strcpy(bufmsg[3],msg);
  strcpy(MidiFileBuf,bufmsg);
  MidiFileBuf+=strlen(bufmsg)+3;
  }
  void MIDI::WriteTrackEndMsg() //磁道结束信息
  { *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=0xff;
  *(MidiFileBuf++)=0x2f;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  }
  char MIDI::GetToneNum(char n,char flag)
  /*入口参数: n 音高
   flag 升降记号
  返回值: 该乐音的实际标号值*/
  { static char val[7]={9 ,11,0,2,4,5,7};
  static char one[7]={0,2,4,5,7,9,11};
  int i;
  i=OneVal;
  if (n<='7' n>='1') i=i+one[n-'1'];
  else
   if (n>='a' n<='g')
  i=i+val[n-'a']-12; //低音,降12个半音
   else
   if (n>='A' n<='G') //高音,升12个半音
   i=i+val[n-'A']+12;
   else //否则,识为休止符
   i=0;
  if (flag=='b') i--;
  else if (flag=='#') i++;
  return(i);
  }

   if (IsFirst)
   {WriteNoteOn(ntrack,c,
  GetCurPaiSpeed(SpeedVal/(FOURPAINUM*4/dd)+1),
  delaytime);
   IsFirst=0;}
   else
   NoteOn(c,
  GetCurPaiSpeed(SpeedVal/(FOURPAINUM*4/dd)+1),
  delaytime);
   SpeedVal=(SpeedVal+delaytime) //下一音符所处的节拍
  %(PaiNum*FOURPAINUM*4/dd);
  }
  else
  {switch(c)
  { case 'S':
  case 's':
  case 'p':
  case 'P': /*设置音色*/
   sscanf(TextFileBuf,"%d",IsFirst);
   while(*TextFileBuf>='0' *TextFileBuf<='9')
  TextFileBuf++;
  if (c=='P'||c=='p') //若为P,表示改变音色
   ChangePrommgram(ntrack,(char)IsFirst);
   else //否则,表示设置音量大小
   WriteSoundSize(ntrack,(unsigned int)IsFirst);
   IsFirst=1;
   break;
  case '{': /*写歌词*/
   msgbuf=buf;
   while(*TextFileBuf!='}'
   *TextFileBuf!='/n'
   *TextFileBuf!=0
   *TextFileBuf!='[')
   *(msgbuf++)=*(TextFileBuf++);
   *msgbuf=0;
   IsFirst=1;
   WriteTextMsg(buf);
   if (*TextFileBuf=='}') TextFileBuf++;
   break;
  case '//': //降八度
   OneVal-=12;
   break;
  case '/': //升八度
   OneVal+=12;
   break;
  case '[':
  case 0:
   TextFileBuf--;
   break;
  default:
   sprintf(ErrorMsg,"文本文件[%s]出现非法字符(%c)。",
   TextFileName,c);
   free(MidiFileOldBuf);
   free(TextFileOldBuf);
   fcloseall();
   return(InvalideChar);
   }
  }
  }
  WriteTrackEndMsg(); //设置磁道结束信息
  WriteTrackMsgToFile(MidiFp); //将磁道音乐信息定入文件中
  ntrack++;
  }
  free(MidiFileOldBuf);
  free(TextFileOldBuf);
  fclose(MidiFp);
  sprintf(ErrorMsg,"MIDI文件[%s]转换成功。",MidiFileName);
  return(ChangeOK);
  }
 /*****************************************************/
  /*作用:将长整型数据变成可变长度,存入buf处 */
  /*入口参数:n 数据 buf 结果保存入 */
  /****************************************************/
  void MIDI::WriteLenghtToBuf(unsigned long n,char *buf)
  { unsigned char b[4]={0};
  int i;
  b[3]=(unsigned char)(n0x7f);
  i=2;
  while(n>>7)
  { n>>=7;
   b[i--]=(char)( (n0x7f)|0x80);
   }
  for (i=0;i<4;i++)
  if (b[i]) *(buf++)=b[i];
  *buf=0;
  }
  long MIDI::NewLong(long n) //将长整型数据改成高位在前
  { union LENGHT l={0};
  char i;
  l.length=n;
  SWAP(l.b[3],l.b[0]);
  SWAP(l.b[2],l.b[1]);
  return(l.length);
  }
  //开始演奏音乐
  void MIDI::WriteNoteOn(char channel, //通道号
  char note, //音符值
  char speed, //按键速度
  unsigned long delaytime) //延时数
  { unsigned char buf[5];
  int i;
  channel--;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=0x90|channel0x7f;//Write Channel
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=speed;
  WriteLenghtToBuf(delaytime*MIDICLOCK,buf);
  i=0;
  while(buf[i]>=0x80) //Write Delay Time
   *(MidiFileBuf++)=buf[i++];
  *(MidiFileBuf++)=buf[i];
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  }
  void MIDI::NoteOn(char note,
  char speed,
  unsigned long delaytime) //发音
  { unsigned char buf[5];
  int i;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=speed;
  WriteLenghtToBuf(delaytime*MIDICLOCK,buf);
  i=0;
  while(buf[i]>0x80)
   *(MidiFileBuf++)=buf[i++];
  *(MidiFileBuf++)=buf[i];
  *(MidiFileBuf++)=note;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  }
  void MIDI::ChangePrommgram(char channel,char n) //改变音色
  { *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=0xc0|(channel-1)0x7f;
  *(MidiFileBuf++)=n;
  }
  void MIDI::WriteTextMsg(char *msg) //向内存写入一文本信息
  { char bufmsg[100]={0xff,5,0,0,0};
  int len;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  bufmsg[2]=(char)strlen(msg);
  strcpy(bufmsg[3],msg);
  strcpy(MidiFileBuf,bufmsg);
  MidiFileBuf+=strlen(bufmsg)+3;
  }
  void MIDI::WriteTrackEndMsg() //磁道结束信息
  { *(MidiFileBuf++)=0;
  *(MidiFileBuf++)=0xff;
  *(MidiFileBuf++)=0x2f;
  *(MidiFileBuf++)=0;
  }
  char MIDI::GetToneNum(char n,char flag)
  /*入口参数: n 音高
   flag 升降记号
  返回值: 该乐音的实际标号值*/
  { static char val[7]={9 ,11,0,2,4,5,7};
  static char one[7]={0,2,4,5,7,9,11};
  int i;
  i=OneVal;
  if (n<='7' n>='1') i=i+one[n-'1'];
  else
   if (n>='a' n<='g')
  i=i+val[n-'a']-12; //低音,降12个半音
   else
   if (n>='A' n<='G') //高音,升12个半音
   i=i+val[n-'A']+12;
   else //否则,识为休止符
   i=0;
  if (flag=='b') i--;
  else if (flag=='#') i++;
  return(i);
  }

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