MIDI 文件格式解析举例

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>

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).

0	single multi-channel track
1	one or more simultaneous tracks (or MIDI outputs) of a sequence
2	one or more sequentially independent single-track patterns

<ntrks, 16bits>

the number (16bits) of track chunks in the file. It will always be 1 for a format 0 file.

<division, 16bits>

bit15 = 0	每个四分音符的 ticks
bit15 = 1	这个涉及一些复杂的指定，今天时间关系就暂时不分析这个

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

32bits

32bits

<MTrk event> 变长

<delta-time>

<event>

<meta-event>

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