MIDI 文件格式解析举例_c# mid文件解析-程序员宅基地
变长动态字节
首先学习 MIDI 一个编码约定，MIDI 使用字节流（1bytes）来传输数据，对于小于 127 的数据就用一个字节存储。大于127的数据把字节的高位用来标识长数据，这样方便程序解析（一般情况高位为0认为一个byte是一个数据，如果出现高位为1（most significant bit）就读取多个字节再解析 int或者long），具体解析过程是最后一个字节前都用高位置1声明这是一个长整数的一部分。
示例图:
文件组成块
MIDI 是这样组织的：
MThd <length of header data>
<header data>
MTrk <length of track data>
<track data>
MTrk <length of track data>
<track data>
. . .
文件头解析
先看文件头
<Header Chunk> = <chunk type><length><format><ntrks><division>
| <chunk type, 32bits> |
is the four ASCII characters 'MThd'; |
|||||||
| <length, 32bits> |
is a 32-bit representation of the number 6 （后面的6bytes）(high byte first). |
|||||||
| <format, 16bits> |
specifies the overall organisation of the file (16bit word).
|
|||||||
| <ntrks, 16bits> |
the number (16bits) of track chunks in the file. It will always be 1 for a format 0 file. |
|||||||
| <division, 16bits> |
|
当然这里 16bit word 是前面说的 most significant bit first 的，如果扩展也是可以的（这样的话 length 就要更新了）。
然后趁热打铁看一个实例 midi 文件吧。
可以看到，文件开始是 4bytes 的 MThd，然后接着是一个 4bytes 的 6 指明了头部这里是 6 bytes 长度，接下来就是 3 个 2bytes 的分别是 format 多轨同步格式，8个轨（经过搜索 MTrk 的确只有 8个），以及指定一个 4分音符 是 480 个 ticks. 我们之后解析文件的时候要用到这些数据。
接下来看每个轨是怎么搞同步轨的，怎么记录音频的信息的。
轨道块解析
<Track Chunk> 直接看下面横向表格
| <chunk type> 32bits |
<length> 32bits |
<MTrk event> 变长
|
MTrk event ++ … |
这里 delta-time 主要是记录这个事件发生的时间点（用到上述变长字节数据），要实现同步播放同一个音符，我们只需要让两个音符的 delta time 是同一个tick计数就行了。
然后我们来看怎么做这些 event 的数据格式（主要看会用到的）
首先看 meta-event 的格式，解析 MIDI 的时候根据程序需求，不需要实现全部的 meta 支持，我们看主要的几个，首先 meta 要用 FF 来标识这是一个 meta event，我们看一些常见的 meta event
| FF 05 len text |
A lyric to be sung. Generally, each syllable will be a separate lyric event which begins at the event's time. |
| FF 2F 00 |
End of Track. This event is not optional. It is included so that an exact ending point may be specified for the track, so that an exact length is defined, which is necessary for tracks which are looped or concatenated。 |
| FF 51 03 tttttt |
Set Tempo (in microseconds per MIDI quarter-note) |
| FF 58 04 nn dd cc bb |
Time Signature nn 是分子，dd是2的幂分母，cc 是一拍 tick 长，bb 是 一个midi 4分音符有多少个32分音符记谱 |
| FF 03 len text |
Sequence/Track Name，实际我分析的 midi 文件第二个 Track 第一条就是 Guitar 的字符串 |
所以每个 MTrk event 都是以一个 变长字节数据 + 一个带 flag 的特别命令组成的。我们可以编写函数一次读取一个 MTrk event 把 delta-time 和 even 都解析出来。而且由于 FF 的存在以及 most significant bit 存在，我们不需要编写判断各种指令的变长命令读入，而是通过 FF 来辨析各个 event 段。FF 倒回来一个变长字节数据（delta-time）就是一个 MTrk event 的开始。
趁热打铁2，我们再来看实际的文件
| 4D 54 72 6B 00 00 00 17 00 FF 51 03 07 0A E2 00 FF 03 00 00 FF 58 04 04 02 07 0A 00 FF 2F 00 |
M T r k ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Q ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ X ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ / ◦ |
一个 MTrk 块，lengh 是 23 个 bytes，数一下的确是 23.
然后依次读取每个 MTrk event
第一个是 00 FF 51 03 07 0A E2 ，设置 tempo 为一个四分音符为 07 0A E2 毫秒。
第二个是 00 FF 58 04 04 02 07 0A， 设置 4/4 时值，7 tick 一拍，一个midi 4分音符记谱为一个10个32分音符。
第三个是 00 FF 2F 00 声明这一个 track 结束。 可以发现这里的全是 meta-event 就单独用一个全部 delta-time 都是 0 的 Track Chunk 来存放了。
下面就是说明音乐数据的 MIDI event 的格式了：
前面讲到的都是 Track 下的，我们实际弹奏是需要一个乐器同时弹奏多个音的，把这个叫 Channel 好了。以下X就代表对特定的 Channel 进行设置。
| 状态字节 |
功能描述 |
数据字节描述 |
| 8X |
松开音符 |
1字节:音符号(00~7F) / 2字节:力度(00~7F) |
| 9X |
按下音符 |
1字节:音符号(00~7F) / 2字节:力度(00~7F) |
| AX |
触后音符 |
1字节:音符号(00~7F) / 2字节:力度(00~7F) |
| BX |
控制器变化 |
1字节:控制器号码(00~79) / 2字节:控制器参数(00~7F)，如钢琴踏板 |
| CX |
改变乐器 |
1字节:乐器号码(00~7F) |
| DX |
通道触动压力 |
1字节:压力(00~7F) |
| EX |
弯音轮变换 |
1字节:弯音轮变换值的低字节 / 2字节:弯音轮变换值的高字节 |
阅读 midi 可以发现 guitar1 音轨下有一堆 00 BX 系列的控制器设置字段，以及一些弯音轮变换。然后转入这个乐器 event，
00 C1 1D 00 C0 1D
这一句就是 设置 Channel 1 和 Channel 0 为乐器 1D，乐器 1D 就是 29 失真吉他。好了为了读懂这里的 HW 的需要掌握的MIDI spec 都马克完了，接下来我们就可以读取MIDI实现鼓和不同的特效吉他的效果播放了。我们现在掌握的音频合成有鼓和不太像钢弦吉他的两种合成声，论文还提到竖琴的不过一般midi谱没有用竖琴的吧。为了播放我手头这个midi，可能需要探究一下贝斯的声音合成就够了。
补充打鼓是算在默认 channel 下的:
In GM standard MIDI files, channel 10 is reserved for percussion instruments only.
所以打鼓另外还有一套音色控制编码，由于他没有音高。
使用 Java 自带的midi库可以去下载 Oracle 提供的 Audio Demo。
附录
先是音高编号，即上面 8X 9X 后面跟着的音符号 00 ~ 7F
下面附上常见的乐器编号：
钢琴
1 Acoustic Grand Piano大钢琴
2 Bright Acoustic Piano 亮音大钢琴
3 Electric Grand Piano 电钢琴
打击乐器
13 Marimba 马林巴
14 Xylophone 木琴
吉他
25 Acoustic Guitar (nylon)尼龙弦吉他
26 Acoustic Guitar(steel) 钢弦吉他
27 Electric Guitar (jazz) 爵士乐 电吉他
28 Electric Guitar (clean) 清音电吉他
29 Electric Guitar (muted) 弱音电吉他
30 Overdriven Guitar 驱动 音效吉他
31 Distortion Guitar 失真音效吉他
32 Guitar Harmonics 吉他泛音
贝司
33 Acoustic Bass 原声贝司
34 Electric Bass(finger) 指拨电贝司
35 Electric Bass(pick) 拨片拨电贝司
36 Fretless Bass 无品贝司
37 Slap Bass 1 击弦贝司1
38 Slap Bass 2 击弦贝司2
39 Synth Bass 1 合成贝司1
40 Synth Bass 2 合成贝司2
各种鼓
112-120
弦乐独奏
41 Violin 小提琴
42 Viola中提琴
43 Cello 大提琴
44 Contrabass 低音提琴
47 Orchestral Harp 竖琴
铜管乐器组
57 Trumpet 小号
58 Trombone 长号
59 Tuba 大号
61 French Horn 圆号
62 Brass Section 铜管组
鼓的音色（代替音高）
18 voice two 人声“two
19 voice three 人声“three”27 high q 激光枪声 28 slap 拍击声 29 scratch push 特效处理推音 30 scratch pull 特效处理拉音 31 sticks 鼓槌对敲 32 square click 敲方板 33 metronome click 节拍器 34 metronome bell 节拍器重音 35 acoustic bass drum 低音大鼓 36 bass drum 1 高音大鼓 37 side stick 鼓边 38 acoustic snare 小鼓 39 hand clap 拍手声 40 electric snare 电子小鼓 41 low floor tom 低音落地嗵鼓 42 closed hi-hat 合音踩镲 43 high floor tom 高音落地嗵鼓 44 pedal hi-hat 踏音踩镲 45 low tom 低音嗵鼓 46 open hi-hat 开音踩镲 47 low-mid tom 中低音嗵鼓 48 hi-mid tom 中高音嗵鼓 49 crash cymbal 1 低砸音镲 50 high tom 高音嗵鼓 51 ride cymbal 1 低浮音镲 52 chinese cymbal 中国镲 53 ride bell 浮音镲碗 54 tambourine 铃鼓 55 splash cymbal 溅音镲 56 cowbell 牛铃 57 crash cymbal 2 高砸音镲 58 vibraslap 颤音叉 59 ride cymbal 2 高浮音镲 60 hi bongo 高音邦戈 61 low bongo 低音邦戈 62 mute hi conga 弱音康加 63 open hi conga 高音康加 64 low conga 低音康加 65 high timbale 高音铜鼓 66 low timbale 低音铜鼓 67 high agogo 高音拉丁打铃 68 low agogo 低音拉丁打铃 69 cabasa 沙锤 70 maracas 响葫芦 71 short whistle 短哨 72 long whistle 长哨 73 short guiro 短锯琴 74 long guiro 长锯琴 75 claves 击杆 76 hi wood block 高音木块 77 low wood block 低音木块 78 mute cuica 弱音吉加 79 open cuica 开音吉加 80 mute triangle 弱音三角铁 81 open triangle 开音三角铁 82 shaker 沙锤(比69沙锤高) 83 jingle bell 铃铛 84 bell tree 铃树 85 castanets 响板 86 mute surdo 弱音瑟多 87 open surdo 开音瑟多 88 applause2 欢呼2(roland sc-88pro) 当选用48号orchestra音色的时候，变体音色为： 27 closed hi-hat 敲击闭合踩镲 28 pedal hi-hat 脚踏踩镲 29 open hi-hat 敲击张开踩镲 30 ride cymbal 点镲 35 concert bd 2 管弦乐队大鼓2(声音清晰) 36 concert bd 1 管弦乐队大鼓1(此有巨大响声) 38 concert sd 管弦乐队小军鼓 39 castanets 响板 40 concert sd 管弦乐队小军鼓 41 timpani f f3阶定音鼓 42 timpani f# f#3阶定音鼓 43 timpani g g3阶定音鼓 44 timpani g# g#3阶定音鼓 45 timpani a a3阶定音鼓 46 timpani a# a#3阶定音鼓 47 timpani b b3阶定音鼓 48 timpani c c4阶定音鼓 49 timpani c# c#4阶定音鼓 50 timpani d d4阶定音鼓 51 timpani d# d#4阶定音鼓 52 timpani e e4阶定音鼓 53 timpani f f4阶定音鼓 57 concert cymbal 2 管弦乐队镲2(浊音) 59 concert cymbal 1 管弦乐队镲1(清音) 88 applause 欢呼声(根据时值决定长度) 22 mc-505 beep 1 mc-505信号音1 23 mc-505 beep 2 mc-505信号音2 24 concert sd 大乐队小军鼓 25 snare roll 小军鼓滚奏 26 finger snap 2 响指2 (以上roland sc-88 pro) 27 high q 激光枪声 28 slap 拍击声 29 scratch push 特效处理推音 30 scratch pull 特效处理拉音 31 sticks 鼓槌对敲 32 square click 敲方板 33 metronome click 节拍器 34 metronome bell 节拍器重音 35 acoustic bass drum 低音大鼓 36 bass drum 1 高音大鼓 37 side stick 鼓边 38 acoustic snare 小鼓 39 hand clap 拍手声 40 electric snare 电子小鼓 41 low floor tom 低音落地嗵鼓 42 closed hi-hat 合音踩镲 43 high floor tom 高音落地嗵鼓 44 pedal hi-hat 踏音踩镲 45 low tom 低音嗵鼓 46 open hi-hat 开音踩镲 47 low-mid tom 中低音嗵鼓 48 hi-mid tom 中高音嗵鼓 49 crash cymbal 1 低砸音镲 50 high tom 高音嗵鼓 51 ride cymbal 1 低浮音镲 52 chinese cymbal 中国镲 53 ride bell 浮音镲碗 54 tambourine 铃鼓 55 splash cymbal 溅音镲 56 cowbell 牛铃 57 crash cymbal 2 高砸音镲 58 vibraslap 颤音叉 59 ride cymbal 2 高浮音镲 60 hi bongo 高音邦戈 61 low bongo 低音邦戈 62 mute hi conga 弱音康加 63 open hi conga 高音康加 64 low conga 低音康加 65 high timbale 高音铜鼓 66 low timbale 低音铜鼓 67 high agogo 高音拉丁打铃 68 low agogo 低音拉丁打铃 69 cabasa 沙锤 70 maracas 响葫芦 71 short whistle 短哨 72 long whistle 长哨 73 short guiro 短锯琴 74 long guiro 长锯琴 75 claves 击杆 76 hi wood block 高音木块 77 low wood block 低音木块 78 mute cuica 弱音吉加 79 open cuica 开音吉加 80 mute triangle 弱音三角铁 81 open triangle 开音三角铁 82 shaker 沙锤(比69沙锤高) 83 jingle bell 铃铛 84 bell tree 铃树 85 castanets 响板 86 mute surdo 弱音瑟多 87 open surdo 开音瑟多 88 applause2 欢呼2(roland sc-88pro) 当选用48号orchestra音色的时候，变体音色为： 27 closed hi-hat 敲击闭合踩镲 28 pedal hi-hat 脚踏踩镲 29 open hi-hat 敲击张开踩镲 30 ride cymbal 点镲 35 concert bd 2 管弦乐队大鼓2(声音清晰) 36 concert bd 1 管弦乐队大鼓1(此有巨大响声) 38 concert sd 管弦乐队小军鼓 39 castanets 响板 40 concert sd 管弦乐队小军鼓 41 timpani f f3阶定音鼓 42 timpani f# f#3阶定音鼓 43 timpani g g3阶定音鼓 44 timpani g# g#3阶定音鼓 45 timpani a a3阶定音鼓 46 timpani a# a#3阶定音鼓 47 timpani b b3阶定音鼓 48 timpani c c4阶定音鼓 49 timpani c# c#4阶定音鼓 50 timpani d d4阶定音鼓 51 timpani d# d#4阶定音鼓 52 timpani e e4阶定音鼓 53 timpani f f4阶定音鼓 57 concert cymbal 2 管弦乐队镲2(浊音) 59 concert cymbal 1 管弦乐队镲1(清音) 88 applause 欢呼声(根据时值决定长度)
主要的参考资料是 MIDI 的 Spec 和网络搜索的一些表格
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