MIDI

Данные всегда хранятся в виде записей. В одном MIDI-файле могут сосуществовать несколько различных записей. Каждая запись может иметь свой собственный размер, то есть количество байтов в различных записях может быть различно. Данные, хранящиеся в одной записи, связаны друг с другом определённым образом. Запись — это по своей сути набор взаимосвязанных байтов.

Каждая запись начинается с указания её идентификатора, который состоит из четырёх букв, то есть из четырёх ASCII-байтов. Этот идентификатор указывает, какой тип записи представлен в содержащихся в записи байтах данных. Последующие за идентификатором четыре байта (каждый из которых состоит из 8 бит) образуют 32-битное значение, указывающее длину (или размер) данной записи. Все записи должны начинаться с этих двух полей: идентификатора записи и размера записи. Эти два поля, занимающие всего 8 байт, образуют заголовок записи.

Длина записи не учитывает 8 байт заголовка. Байты длины просто указывают количество байтов в записи, которые следуют за заголовком.

Приведём пример заголовка (здесь байты представлены в шестнадцатеричном виде):

4D 54 68 64 00 00 00 06

Отметим, что первые четыре байта заголовка образуют MThd (то есть первыми четырьмя байтами заголовка являются ASCII значения букв 'M', 'T', 'h', и 'd'). Последующие 4 байта говорят нам, что в записи будет ещё 6 байтов, следующих за заголовком. После этих шести байтов должен следовать следующий заголовок записи или же конец MIDI-файла.

Фактически все MIDI-файлы начинаются с заголовка MThd и именно этот факт является указанием на то, что мы имеем дело со стандартным MIDI-файлом).

Запись MThd имеет длину 6 байт и следует за идентификатором MThd и 32 битным числом (00 00 00 06).

Рассмотрим подробно эти 6 байтов, следующих за 8-байтным заголовком в MThd записи.

Первые два байта данных содержат информацию о формате или типе MIDI-файла. Существует три различных типа (формата) MIDI-файлов:

• Тип 0 означает, что файл содержит MIDI-данные, записанные на одном треке, который, вероятно, объединяет в себе все 16 MIDI-каналов. Если ваш секвенсор сохраняет MIDI-данные в одном единственном блоке памяти, из которого он их воспроизводит, то такой секвенсор будет читать и записывать MIDI-данные именно в этот тип MIDI-файлов.
• Файл типа 1 подразумевает, что в нём содержатся несколько (но, возможно, и всего один) одновременно воспроизводимых треков, каждый, вероятно, представляет свой собственный MIDI-канал. Все треки начинают воспроизводиться в один и тот же нулевой момент времени. Все треки, взятые вместе, образуют паттерн. Если ваш секвенсор разделяет в памяти различные MIDI-треки и хранит их в различных блоках и воспроизводит различные треки одновременно, то такой секвенсор будет читать и писать файлы типа 1.
• Файлы типа 2 содержат один или несколько независимых треков, каждый такой трек образует свой собственный паттерн. Если ваш секвенсор разделяет MIDI-данные на несколько блоков в памяти, но воспроизводит лишь один-единственный блок в данное время, но не воспроизводит их одновременно, когда каждый блок памяти содержит отдельную пьесу или её кусок, то этот секвенсор будет читать и записывать MIDI-файлы второго типа.

Следующие два байта определяют количество треков, хранимых в файле, эти два байта обозначаются NumTracks. Естественно, что для файлов типа 0 значение NumTracks всегда равно 1. Для двух оставшихся типов возможны другие значения.

Оставшиеся два байта указывают величину временного разрешения, то есть количество временных импульсов (временных тиков), приходящихся на одну четвертную длительность, что в виде аббревиатуры английских слов обозначается как PPQN. Например, если ваш секвенвер использует 96 ppqn, то соответствующее поле в заголовке записи будет иметь шестнадцатеричное значение 00 60.

Напротив, если первый байт рассматриваемого поля заголовка отрицателен, то соответствующий формат использует стандарт SMPTE вместо стандарта PPQT. В этом случае первый байт поля временного разрешения принимает значения −24, −25, −29 или −30, что соответствует четырём стандартным типам в стандарте SMPTE. Второй байт (положительная величина) указывает величину разрешения во фрейме. Стандартные величины разрешения фрейма представляют собой 4 (временной код MIDI), 8, 10, 80 (SMPTE) или 100.

Задавая значения фреймов −25 и величину внутрифреймового разрешения 40, можно установить значение временного разрешения длительностью в миллисекунду.

Ниже приводится пример целой записи типа MThd, включая её заголовок:

4D 54 68 64 MThd идентификатор
00 00 00 06 Длина записи MThd всегда равна 6 байтам
00 01 Формат данного MIDI-файла 1
00 02 В данном файле содержится 2 записи типа MTrk
00 60 The Pulses Per Quarter Note is 96.

За записью MThd следует MTrk запись. Это единственный тип записи, отличающийся от MThd записи, который определён для MIDI-файлов в настоящее время. Если по какой-либо причине в файле содержится идентификатор какой-либо записи другого типа, то, вероятно, эта запись создана для какой-либо другой программы, и эта запись должна быть проигнорирована в соответствии с указанной в её заголовке длиной данной записи.

MTrk запись содержит в себе MIDI-данные и байты временных меток, а также необязательную информацию. Эти данные относятся к одному треку. Очевидно, что количество MTrk записей в файле должно совпадать со значением NumTracks, указанном в записи MThd.

Заголовок записи MTrk начинается с идентификатора записи, который представляет собой четыре ASCII-байта 'M', 'T', 'r', 'k', за которым следует значение длины записи, то есть число, равное количеству байтов в данной записи. Для различных треков значения длин MTrk записей могут быть различны. (Например, трек, содержащий партию скрипки из Концерта Баха, по всей видимости будет содержать больше данных, чем трек, содержащий басовую партию, в которой на один такт приходится лишь две ноты.)

Величины переменной длины — Временные метки событий

Трек в MIDI-файле аналогичен треку в MIDI-секвенсоре. Трек секвенсора содержит последовательность событий. Например, первым событием может быть взятие ноты «до» первой октавы. Вторым событием может быть взятие ноты «ми» терцией выше. Эти два события могут произойти в одно и то же время. Третьим событием может быть снятие ноты «до». Это событие может произойти несколькими долями позже после первого события (то есть звук «до» будет снят спустя несколько долей после того, как он был взят). Для каждого события указывается его время, именно в этот момент времени событие происходит. Все события организованы в пределах одной записи в памяти секвенсора в порядке их появления во времени.

В MIDI-файле время события указывается перед байтами данных, которые описывают само событие. Иными словами, временна́я метка события предшествует описанию события. Например, если первое событие происходит спустя 4 временных интервала (временной интервал устанавливается в MThd записи) после начала воспроизведения, то соответствующее ему значение «дельта» — значение промежутка времени — устанавливается равным 04. Если следующее событие происходит одновременно с этим первым событием, то значение его времени дельта равно 00. Таким образом, время дельта — это длительность, выраженная в элементарных временных интервалах, между данным событием и ему предшествующим событием.

Поскольку предполагается, что все треки начинают воспроизводиться с момента времени равного 0, то время дельта первого события становится равным 0.

Значения времен дельта хранятся в виде последовательностей байтов, которые носят название величин переменной длины. Лишь первые 7 бит каждого байта являются значимыми для определения дельта времени. Если время дельта выражено в виде набора 32 бит, то необходимо распаковать эту 4-байтовую величину, выделив последовательность четырёх 7-битных значимых байтов (наподобие того, как это делается для передачи SYSEX сообщений в рамках протокола MIDI). В зависимости от величины времени дельта, количество байтов может быть различным. Для того, чтобы отметить последний байт в последовательности этих байтов, необходимо оставить 7-й бит этого последнего байта чистым (старший бит равен 0). Так, если время дельта находится в пределах от 0 до 127, то оно может быть выражено одним единственным байтом. Самое большое время дельта устанавливается в размере 0FFFFFFF, для записи такого времени потребуется величина переменной длины размером 4 байта. Так могут выглядеть величины переменной длины для разных значений времен дельта (время дельта выражено в виде 32-битного значения):

Время дельта Соответствующая величина переменной длины

00000000 00
00000040 40
0000007F 7F
00000080 81 00
00002000 C0 00
00003FFF FF 7F
00004000 81 80 00
00100000 C0 80 00
001FFFFF FF FF 7F
00200000 81 80 80 00
08000000 C0 80 80 00
0FFFFFFF FF FF FF 7F

Отметим, что использование значений переменной длины, то есть разбиение большой величины на последовательность байтов, не ограничивается случаем с временами дельта. Значения переменный длины используются в MIDI-файлах и в других случаях.

Первые байты (байт 1 или байты с 1 по 4) записи MTrk задают значение времени дельта для первого события в формате величины переменной длины. Следующий за этой величиной байт данных представляет собой первый байт события MIDI. Это байт носит название байта статуса события или байта текущего MIDI-статуса. Для MIDI-событий он представляет собой статус байт данного события. Например, если этот байт равен 0x90, то данное событие — это событие Взять Ноту на MIDI-канале 0. Или, если этот байт равен 0x23, то необходимо обратиться к статус байту предыдущего события. Очевидно, что первое MIDI-событие в MTrk записи обязательно должно содержать в себе статус байт. После статус байта следуют один или два байта данных, в зависимости от типа события. После этих байтов данных находится следующее значение времени дельта (в виде величины переменной длины), и начинается процесс прочтения следующего события.

Особый случай представляют собой сообщения SYSEX, имеющие статус байт, равный F0. События SYSEX могут иметь любую длину. После статус байта F0 следует последовательность значений переменной длины. Можно получить 32-битовое значение, которое равно количеству следующих далее байтов, образующих SYSEX-событие. Эта длина не включает в себя статус байт (F0).

Рассмотрим в качестве примера следующее SYSEX-событие MIDI:

F0 7F 7F 04 01 7F 7F F7

В MIDI-файле такое событие будет сохранено в виде следующей последовательности байтов (исключая время дельта, предшествующее событию):

F0 07 7F 7F 04 01 7F 7F F7

Статус байт FF зарезервирован для использования в качестве статуса события, не являющегося MIDI-событием. За байтом FF следует другой байт, указывающий какой тип не-MIDI события описывается в данном событии. Это своеобразный второй статус байт. За этим байтом следует величина переменной длины, которая показывает, какое количество байтов содержится в данном событии. то есть задаёт длину события. Длина не включает в себя начальный статус байт FF, байт типа события, байты длины события. Это особое сообщение, не принадлежащее протоколу MIDI, носит название мета-события. Ниже описаны некоторые мета-события. Если не указано обратное, в записи MTrk может быть размещено более одного мета-события, причём одно и то же мета-событие может быть размещено в одной записи более одного раза. Мета-события могут иметь произвольные временные метки (времена дельта). Как и все MIDI-события, мета-события имеют дельта времена (временные метки), которые указывают промежуток времени, разделяющий данное MIDI-событие или мета-событие от предшествующего, независимо от того, является это событие MIDI-событием или мета-событием. Таким образом, мы можем произвольно смешивать MIDI-события и мета-события.

FF 00 02 ss ss

Это необязательное мета-событие должно находиться в самом начале MTrk записи перед первой ненулевой временной меткой или перед первым событием. Это мета-событие устанавливает номер последовательности (номер записи) Два байта данных ss ss соответствуют данным в MIDI-сообщении MIDI Cue. В MIDI-файлах второго типа эти числа определяют номера каждого паттерна (или MTrk записи) таким образом, что последовательность пьес, содержащихся в файле, может быть управляема при помощи сообщения MIDI Cue. Если байты ss ss опущены (длина данного мета-сообщения равна 0 вместо 2), то номера MTrk записей устанавливаются в порядке того, как они записаны в файле (первая MTrk соответствует первому треку и т. д.) Файлы нулевого и первого типов, которые содержат единственный паттерн, могут содержать мета-сообщение номера последовательности только в первой MTrk записи. Несколько файлов первого типа, содержащих различные номера последовательностей, могут рассматриваться как коллекции независимых пьес.

Можно использовать только одно мета-сообщение номера последовательности для каждой MTrk записи в файле формата 2. Можно использовать только одно мета-сообщение номера последовательности в файле формата 0 или формата 1, и это мета-сообщение должно находиться в первой MTrk записи.

FF 01 len text

Это мета-событие содержит любой объём текста любого назначения. Значение len содержит длину текстового сообщения в байтах. Наиболее удобно помещать такие мета-сообщения в начале MTrk записи. Несмотря на то, что записываемый текст может быть использован в любых целях, необходимо иметь в виду, что предусмотрены также и иные текстовые мета-сообщения, которые специально предназначены для указания инструментов оркестра, слов песен, названий треков и другие. Данное мета-событие главным образом предназначено для добавления комментариев к MIDI-файлу, предполагается, что при загрузке файлов эти комментарии будут проигнорированы.

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 02 len text

Текстовое мета-событие copyright наиболее удобно помещать в начале MTrk записи

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 03 len text

Текстовое мета-событие, содержащее название MIDI-последовательности или трека. Удобно располагать это мета-событие в начале MTrk записи.

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 04 len text

Текстовое мета-событие, содержащее название инструмента, исполняющего данный трек. Название инструмента может отличаться от названия самого трека. Например, название трека может быть, скажем, «Ария Ленского», а название инструмента может указывать на голос и содержать значение «Тенор».

Наиболее удобно располагать одно или несколько мета-событий подобного типа в самом начале MTrk записи, поскольку эти события несут вспомогательную информацию, которая информирует пользователя о том, какой инструмент исполняет данный трек, а также сообщают другие полезные данные. Обычно реальные параметры, задающие тип инструмента, исполняющего трек, хранятся в файле в виде MIDI-событий типа MIDI Program Change, а описанные здесь мета-события позволяют снабдить пользователя удобно читаемыми описаниями, соответствующими сделанным в MTrk записях конфигурациям.

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 05 len text

Текстовое мета-событие, содержащее слова вокального произведения, приходящиеся на ту или иную музыкальную долю. Одно мета-событие «Слова» должно содержать один единственный слог текста.

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 06 len text

Текстовое мета-событие Маркер устанавливается на определённой музыкальной доле. Это событие может использоваться для организации петель и может обозначать начальную и конечную точку петли.

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 07 len text

Текстовое мета-событие «точка входа» может использоваться для обозначения точки входа внешнего потока данных, например точки начала воспроизведения файла с цифровым звуком. Текстовое значение данного мета-события может содержать имя WAV файла, содержащего цифровой звук.

Отметим, что величина len представляется в виде значения переменной длины.

FF 20 01 cc

Это необязательное мета-событие обычно располагается в начале MTrk сообщения перед первой ненулевой временной меткой и перед первым мета-событием, исключая мета-событие номера последовательности. Мета-событие «канал MIDI» устанавливает значение MIDI-канала с которым будут связаны все последующие мета-события и события SYSEX. Байт данных cc — это номер MIDI-канала, величине 0 соответствует первый канал.

Спецификация MIDI не предусматривает указание номера канала для SYSEX событий и мета-событий. Если создаётся файл типа 0, то все SYSEX события и мета-события находятся на одном треке и затруднительно распределить эти события между соответствующими канальными (голосовыми) сообщениями (например, если вы хотите обозначить партию канала 1 как «Флейта соло», а партию канала 2 как «Труба соло», то вам придётся использовать два мета-события «Имя трека» для введения этих названий, но поскольку оба этих трека расположены на одном канале, то перед первым мета-сообщением имени трека необходимо поместить мета-сообщение «канал MIDI», в котором указать номер соответствующего канала, а перед вторым мета-сообщением имени трека поместить мета-сообщение канала MIDI с указанием номера второго канала.

На одном MIDI-треке можно использовать более одного мета-сообщения «канал MIDI», если события этого трека нужно распределить между несколькими каналами MIDI.

FF 21 01 pp

Это необязательное событие, которое как правило располагается в начале записи MTrk перед первым ненулевым временем дельта и перед первым MIDI-событием, которое определяет, с каким MIDI-портом (или устройством) связаны события данного MTrk сообщения. Байт данных pp — это номер порта, нулевому значению pp соответствует первое MIDI-устройство в системе.

Спецификация MIDI предусматривает лишь 16 каналов на один входной или выходной порт (устройство, разъём, инструмент — терминология может быть различной) MIDI. Номер MIDI-канала каждого события MIDI содержится в статус байте события, где он занимает четыре младших бита. Таким образом, номер канала всегда представляет собой число в пределах от 0 до 15. Иногда система позволяет осуществлять работу более чем с 16 каналами MIDI, возникает необходимость преодолеть ограничения, накладываемые малым количеством каналов MIDI, и расширить возможности обмена MIDI-данными, сделать обмен информацией со внешними MIDI-устройствами более эффективным, то есть позволить музыканту работать более чем с 16 каналами. Некоторые секвенсоры также позволяют осуществлять работу более чем с 16 MIDI-каналами на входе и выходе одновременно. К сожалению, протокол MIDI не предусматривает возможность использования более чем 16 MIDI-каналов в рамках статус байта в событии MIDI. Поэтому необходим дополнительный метод, который позволяет различать события, которые соответствуют первому каналу на первом MIDI-порте от событий, соответствующих, скажем, первому каналу на втором MIDI-порте. Описываемое мета-событие позволяет секвенсору определить, на какой MIDI-порт посылать события данного MTrk сообщения.

Допускается располагать более одного мета-события «Порт MIDI» в пределах одного MIDI-трека, если требуется изменить значение MIDI-порта в определённый момент времени.

FF 51 03 tt tt tt

Это событие указывает на изменение темпа. 3 байта данных tt tt tt определяют темп в микросекундах в четвертной ноте. Другими словами, значение темпа (мкс) говорит вам, сколько времени должна звучать каждая из «четвертных нот». Если tt tt tt = 07 А1 20, то каждая четвертная нота должна иметь длительность 07 А1 20 (или 500 000) микросекунд. (Проверьте вашим калькулятором Windows в научном режиме). Как правило, музыканты выражают темп как «сумму четвертных нот в каждую минуту (то есть период времени)». Это полностью противоположно тому, как формат MIDI выражает его. Чтобы преобразовать темп в MIDI формат (BPM — ударов в минуту): BPM = 60000000 / (tt tt tt). Например, темп 120 BPM = 07 А1 20 микросекунд за четвертную ноту. ПРИМЕЧАНИЕ: Если темп не определён, по умолчанию предполагается значение 120 BPM.

FF 54 05 hr mn se fr ff

Назначает время начала (часы, минуты, секунды, кадры, подкадры) MIDI-дорожки согласно стандарту SMPTE.

FF 58 04 nn dd cc bb

Музыкальный размер задаётся четырьмя байтами. • nn и dd — соответственно числитель и знаменатель в нотной записи. Знаменатель вычисляется как двойка в степени dd. (dd = 2: 1/4; dd = 3: 1/8 и т. д.) • cc expresses the number of MIDI clocks in a metronome click. • bb expresses the number of notated 32nd notes in a MIDI quarter note (24 MIDI clocks). This event allows a program to relate what MIDI thinks of as a quarter, to something entirely different. For example, 6/8 time with a metronome click every 3 eighth notes and 24 clocks per quarter note would be the following event: FF 58 04 06 03 18 08 NOTE: • If no Time Signature is defined, the default value 4/4 is assumed. • Time Signature can only be redefined at measure beginnings.

FF 59 02 sf mi

• sf = −7 для 7 бемолей, −1 для 1 бемоля и т. д., 0 для до-мажора или натурального ля-минора, 1 для 1 диеза и т. д. • mi = 0 для мажора, 1 для минора.

FF 2F 00

Это событие является обязательным. Оно обязано быть последним событием каждой MTrk записи. Оно представляет собой явное обозначение конца MTrk записи. Допускается использование единственного мета-события «Конец трека» для каждой MTrk записи.