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：
- .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。
- 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：
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：
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 >
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);
}