淺談嵌入式MIDI文件格式解析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)與電子科學(xué)的發(fā)展，傳統(tǒng)的閱讀方式正在發(fā)生著天翻地覆的變化。樂(lè)譜是一種以印刷或手寫制作，用符號(hào)來(lái)記錄音樂(lè)的方法。不同的文化和地區(qū)發(fā)展了不同的記譜方法。記譜法可以分為記錄音高和記錄指法的兩大類。五線譜和簡(jiǎn)譜都屬于記錄音高的樂(lè)譜。吉他的六線譜和古琴的減字譜都屬于記錄指法的樂(lè)譜。傳統(tǒng)的樂(lè)譜主要以紙張抄寫，現(xiàn)在亦有電腦程式可以制作樂(lè)譜。在音樂(lè)領(lǐng)域，由于紙質(zhì)樂(lè)譜本身具有如不宜保存、查找和攜帶以及翻頁(yè)不便等缺點(diǎn)，也促使許多作曲家使用作曲軟件制作音樂(lè)，使用打譜軟件來(lái)生成樂(lè)譜；但是，雖然制作音樂(lè)和生成樂(lè)譜的軟件很多，相應(yīng)的閱讀樂(lè)譜的軟硬件設(shè)備卻很少。

為了可以把現(xiàn)有的音樂(lè)數(shù)字化工作擴(kuò)展到樂(lè)譜的閱讀，又可以克服紙質(zhì)樂(lè)譜本身的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)跨平臺(tái)的、便攜的、用戶友好的電子樂(lè)譜閱讀器，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡(jiǎn)單，如手機(jī)上的一個(gè)微小型的電機(jī)，當(dāng)手機(jī)處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開(kāi)；也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機(jī)器狗，上面集成了多個(gè)微小型控制電機(jī)和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)作和感受各種狀態(tài)信息。利用嵌入式的閱讀系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙質(zhì)樂(lè)譜與譜架的組合，無(wú)疑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

當(dāng)前可以獲得的電子版的樂(lè)譜可以分為兩種，一種是基于圖片格式的，另一種是基于數(shù)字音樂(lè)格式的。前一種主要包括jpg圖，gif圖等圖片格式，以及主要由圖片構(gòu)成的pdf，chm等文檔格式，在此本文不作為重點(diǎn)；后一種主要包括MIDI文件格式和一些打譜軟件所使用的專用格式。

2 系統(tǒng)分析

圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的五線譜的一部分，它具有兩個(gè)聲部，每個(gè)聲部都對(duì)應(yīng)一組五線。五線譜上有各種標(biāo)記，表示出五線譜的各種屬性。

屬性作用的對(duì)象包括：樂(lè)譜、聲部、跨越多聲部的音樂(lè)段落、單聲部的音樂(lè)段落與音符等。而從屬性作用的方法來(lái)看，屬性可以劃分成幾類：有的屬性依靠符號(hào)的水平位置或垂直位置來(lái)體現(xiàn)，有的屬性則依靠符號(hào)的形狀變化體現(xiàn)。

某些情況下，同一個(gè)屬性必須一致的出現(xiàn)五線譜的許多不同的地方，例如不同聲部的調(diào)號(hào)和、拍號(hào)在小節(jié)數(shù)相同時(shí)必須也是相同的，并且要分別標(biāo)注在每個(gè)聲部。

為了描述五線譜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性以及把這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制到屏幕的便捷性，本文建立了如下幾個(gè)類：Staff類描述一個(gè)五線譜，Track類描述一個(gè)聲部，Measure類描述一個(gè)小節(jié)，Notation類是所有符號(hào)的基類，Note、Chord、Noteblock、Rest、Tie分別描述了單個(gè)音符、和弦、音符組、休止符、延音符等符號(hào)。圖2直觀的表述了類間的關(guān)系。

圖2 五線譜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織形式

考慮到五線譜不同聲部的小節(jié)號(hào)相同的小節(jié)具有的許多屬性都是一致的。為了降低冗余度和方便程序調(diào)用，本文為五線譜類設(shè)立了不含有音符的虛擬聲部，來(lái)保存實(shí)際聲部中的公共小節(jié)信息。虛擬聲部中的小節(jié)聲明為VMeasure類，每個(gè)聲部的Measure類都保存指向?qū)?yīng)VMeasure類的指針，方便小節(jié)信息的獲取。圖3顯示了虛擬聲部在五線譜類中的結(jié)構(gòu)。

3 MIDI文件格式解析

MIDI（Musical Instrument Digital Interface）樂(lè)器數(shù)字接口 ，是20 世紀(jì)80 年代初為解決電聲樂(lè)器之間的通信問(wèn)題而提出的。MIDI 傳輸?shù)牟皇锹曇粜盘?hào)， 而是音符、控制參數(shù)等指令， 它指示MIDI 設(shè)備要做什么，怎么做， 如演奏哪個(gè)音符、多大音量等。它們被統(tǒng)一表示成MIDI 消息（MIDI Message） 。傳輸時(shí)采用異步串行通信， 標(biāo)準(zhǔn)通信波特率為31.25×（ 1±0.01） KBaud。MIDI僅僅是一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，它是由電子樂(lè)器制造商們建立起來(lái)的，用以確定電腦音樂(lè)程序、合成器和其他電子音響的設(shè)備互相交換信息與控制信號(hào)的方法。MIDI系統(tǒng)實(shí)際就是一個(gè)作曲、配器、電子模擬的演奏系統(tǒng)。從一個(gè)MIDI設(shè)備轉(zhuǎn)送到另一個(gè)MIDI設(shè)備上去的數(shù)據(jù)就是MIDI信息。MIDI數(shù)據(jù)不是數(shù)字的音頻波形，而是音樂(lè)代碼或稱電子樂(lè)譜。利用MIDI技術(shù)將電子合成器、電子節(jié)奏機(jī)（電子鼓機(jī)）和其他電子音源與序列器連接在一起即可演奏模擬出氣勢(shì)雄偉、音色變化萬(wàn)千的音響效果，又可將演奏中的多種按鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，極大的改善了音樂(lè)演奏的能力和條件。

3.1 格式說(shuō)明

MIDI文件中的數(shù)據(jù)劃分為若干個(gè)塊（chunk），塊是由塊標(biāo)記、塊長(zhǎng)度和塊數(shù)據(jù)組成的。其中塊標(biāo)記為4個(gè)字節(jié)的ACSII碼，塊長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)的數(shù)值，表示塊數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度。如表1所示。

表1 MIDI文件組成

3.2 MIDI文件格式解析模塊的結(jié)構(gòu)與解析流程

由于MIDI文件格式解析模塊需要完成的任務(wù)主要有理解MIDI信息、分析MIDI信息、生成五線譜信息幾大部分，因此可以將MIDI文件解析分作兩大塊。第一塊稱為文件分析器，主要負(fù)責(zé)按順序閱讀MIDI文件，將各數(shù)據(jù)成分分離并分別儲(chǔ)存，完成底層面向文件的數(shù)據(jù)讀入和錯(cuò)誤處理，保證向上層提供完整的正確的排列有序的音符信息。第二塊稱為整合分析器，主要負(fù)責(zé)有選擇的使用文件分析器從MIDI文件中獲得的原始信息。整體結(jié)構(gòu)與處理流程如圖4所示。

3.2.1 文件分析器

頭塊中表明了MIDI文件類型、包含軌道數(shù)和四分音符的時(shí)間增量數(shù)。頭塊的解析相對(duì)簡(jiǎn)單，但其中的文件類型和四分音符時(shí)間增量數(shù)對(duì)解析流程影響很大。

MIDI文件類型不同，MIDI文件內(nèi)部的復(fù)雜度會(huì)有較大差別。不過(guò)MIDI文件的三種類型之間是復(fù)雜度遞增的關(guān)系，而且前一種類型總可以近似的看作后一種類型的特例，所以只要面向最復(fù)雜的類型2做好各種處理，相對(duì)簡(jiǎn)單的類型0和1只要稍作修改即可支持。

MIDI文件中一般把四分音符的時(shí)間增量數(shù)設(shè)置為120，但MIDI文件也支持更改這個(gè)值。由于這種情況在實(shí)際應(yīng)用中比較少見(jiàn)，因此可以通過(guò)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為120的方式，在不影響正確性的前提條件下，降低解析的復(fù)雜度。

MIDI事件的讀取

MIDI消息的種類很豐富，而且沒(méi)有統(tǒng)一的格式，這意味著只能把每一種消息單獨(dú)處理。值得慶幸的是，不是所有的MIDI消息都跟五線譜有關(guān)，所以要真正理解的MIDI消息實(shí)際上不是很多。要面對(duì)的最多的消息是音符打開(kāi)消息（Note-On），它的實(shí)際使用量占了所有消息的總使用量的95%以上。

由于MIDI中沒(méi)有音符的概念，因此要通過(guò)將對(duì)應(yīng)的音符開(kāi)啟和關(guān)閉事件配對(duì)形成一個(gè)音符，稱之為原始音符，之后還需要將音符開(kāi)始時(shí)間戳和結(jié)束時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成音符開(kāi)始時(shí)間戳和音符持續(xù)長(zhǎng)度。

Meta事件的讀取

MIDI中的Meta事件中描述的信息在五線譜顯示中基本上都是有用的，有些信息還起著至關(guān)重要的作用。例如很多說(shuō)明性的文字信息，需要直接添加到五線譜和各音軌的屬性中。當(dāng)這些說(shuō)明性信息重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，可以把兩段信息的文字連起來(lái)，作為一條長(zhǎng)的信息出現(xiàn)。

調(diào)號(hào)和拍號(hào)信息是Meta信息中非常關(guān)鍵的兩條。調(diào)號(hào)決定了每個(gè)音符在五線譜上顯示的確切位置及其升降號(hào)標(biāo)志，拍號(hào)決定了小節(jié)的長(zhǎng)度還同時(shí)影響合成音符組的規(guī)則。

3.2.2 整合分析器

文件分析器只能夠讀出MIDI文件中直接說(shuō)明的音符，如果直接顯示這樣的音符，得到的五線譜將非常難看。整合分析器的任務(wù)就是接收原始音符表與其它如拍號(hào)調(diào)號(hào)等信息進(jìn)行排列重組，生成一個(gè)正確美觀的五線譜。

確定譜號(hào)

Meta信息里只提供了調(diào)號(hào)和拍號(hào)的信息，而同樣重要的譜號(hào)信息卻沒(méi)有提供。由于在整合分析器中的許多工作都要使用譜號(hào)信息，所以對(duì)音符的統(tǒng)計(jì)工作必須在進(jìn)入整合分析器之前就進(jìn)行完畢。

確定譜號(hào)需要統(tǒng)計(jì)音軌中最高和最低音符的音高。得到了這兩個(gè)值后，便可以決定使用低音譜號(hào)和高音譜號(hào)中的一種。如果最高音和最低音相差太多，以至于使用無(wú)論使用低音譜號(hào)還是使用高音譜號(hào)都不能滿足要求，可以考慮將一個(gè)音軌拆成兩條五線顯示。

添加休止符

休止符是五線譜中與音符同樣重要的符號(hào)元素，而在原始音符表中只有實(shí)在的音符而沒(méi)有休止符。用以記錄不同長(zhǎng)短音的進(jìn)行的符號(hào)叫做音符。 音值的基本相互關(guān)系：每個(gè)較大的音值和它最近的較小的音值的比例是2與1之比。例如：全音符等于兩個(gè)二分音符；全休止符等于兩個(gè)二分休止符等。由于譜面狹窄及其他種種原因，不可能遵守上述規(guī)則時(shí)，適當(dāng)縮短或伸長(zhǎng)符干長(zhǎng)度是完全可以的。附點(diǎn)寫在音符符頭和休止符右邊的間內(nèi)，而不記在線上。休止符在單符干記譜中，永遠(yuǎn)記在第三線上，或靠近第三線的地方。二分休止符寫在第三線的上面，全休止符寫在第四線的下面。在雙符干記譜中，各聲部共同休止時(shí)，休止符的記法與單符干記譜相同。個(gè)別聲部休止時(shí)，休止符寫在五線譜的邊緣，或五線譜之外。這時(shí)全休止符和二分休止符要使用加線。全休止符寫在加線的下面，二分休止符寫在加線的上面。

小節(jié)劃分與音符的拆分組合

五線譜中的小節(jié)劃分對(duì)顯示來(lái)說(shuō)具有兩個(gè)作用，方便上下同步聲部樂(lè)譜對(duì)齊和在換行時(shí)保持末端對(duì)齊。由于原始音符可能完全屬于某一個(gè)小節(jié)，又或跨越若干個(gè)小節(jié)，因此就要把音符拆分成多個(gè)小的音符，并用延音符號(hào)連接他們，或者把一個(gè)小節(jié)中的幾個(gè)音符組合在一起構(gòu)成和弦或者共尾音符組等情況。圖5例舉出了一種比較簡(jiǎn)單的情況。

完成這一部分工作需要將原始音符表轉(zhuǎn)換為有序棧。有序棧的特點(diǎn)保證了雖然每個(gè)音符都有可能被反復(fù)插入，但是它插入的次數(shù)與整體棧規(guī)模無(wú)關(guān)，只與音符的復(fù)雜度有關(guān)。在音符復(fù)雜度一定的情況下，每個(gè)棧元素被反復(fù)操作的次數(shù)接近一個(gè)常量。

為了降低運(yùn)算量，可以利用只含有一個(gè)和弦的共尾音符組和只含有一個(gè)音符的和弦統(tǒng)一各種符號(hào)間的比較，把3x3=9步比較合并為兩步，降低了比較的代價(jià)，大大減少了代碼量。另一個(gè)優(yōu)化之處是利用了有序棧，把時(shí)間復(fù)雜度降低到nlog（n）。

圖6展示了MIDI文件的顯示效果，限于篇幅，本文對(duì)于多連音、倚音，裝飾音等格式解析，在這里不做更詳細(xì)的說(shuō)明了。

4 總結(jié)與展望

本文討論的電子樂(lè)譜閱讀器嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用了基于Celeron-M的ECX平臺(tái)，顯示模塊采用了Linux平臺(tái)下的QT開(kāi)發(fā)框架。實(shí)踐證明，本文所討論的解析方法是完全可行的，系統(tǒng)的運(yùn)行速度也是令人滿意的。

隨著計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的普及，人們的生活方式正在發(fā)生了巨大的變化，雖然本文提到的嵌入式樂(lè)譜閱讀器還沒(méi)有形成產(chǎn)品，但勢(shì)必取代現(xiàn)有的紙質(zhì)樂(lè)譜。另外，本系統(tǒng)目前只有閱讀功能，還可以增加音樂(lè)播放功能，這樣就可以進(jìn)行五線譜的學(xué)習(xí)，對(duì)于正處于學(xué)習(xí)階段的學(xué)生來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常好的助手。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文所作的研究彌補(bǔ)了樂(lè)譜數(shù)字化的最后一個(gè)環(huán)節(jié)——數(shù)字化閱讀。盡管存在著各種打譜軟件、作曲軟件、播放軟件，但演奏者目前還沒(méi)有一個(gè)適合的閱讀器。本文嘗試將數(shù)字化樂(lè)譜通過(guò)嵌入式閱讀設(shè)備顯示給演奏者，替代傳統(tǒng)笨重的紙質(zhì)樂(lè)譜，極大的減輕了演奏者的負(fù)擔(dān)。同時(shí)由于互聯(lián)網(wǎng)上存在大量的MIDI格式的文件，但五線譜格式的文件很少而且格式不公開(kāi)，需要配備價(jià)格昂貴的專業(yè)軟件。