Интерфейс музыкальных инструментов MIDI

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 MIDI

2. КОММУТАЦИЯ MIDI

2.1 MIDI-интерфейс

2.2 Usb to host

2.3 Подключение синтезатора к ноутбуку

3 MIDI СООБЩЕНИЯ

4 ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ

4.1 Недостаток SDS

4.2 SMDI

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

MIDI - цифровой интерфейс музыкальных инструментов - был разработан в 1982 году по инициативе нескольких ведущих производителей музыкальных инструментов - Yamaha, Roland, E-mu, Korg и др. Необходимость такого интерфейса была вызвана, прежде всего, тем, что выпускалось все больше автоматических устройств - ритм-машин и секвенсоров; первые по заданной программе выдавали ритмическое сопровождение с нужным рисунком, вторые использовались для запоминания сыгранных партий с целью последующего автоматического воспроизведения. Кроме этого, большой интерес представляло создание "электронного оркестра", когда один исполнитель мог бы заставить одновременно звучать несколько инструментов, используя только одну или две клавиатуры. Поскольку универсального способа соединения разнородных устройств тогда не было, каждый производитель сам разрабатывал способ соединения (интерфейс) и обеспечивал совместимость только внутри определенной серии своих инструментов. Необходим был единый интерфейс, который позволил бы соединять друг с другом инструменты различных производителей и моделей, с единым способом управления процессом извлечением звука и его параметрами. В результате был создан и принят в качестве общемирового стандарта интерфейс MIDI, устанавливающий как способ соединения инструментов - разъемы, кабели, электрические сигналы (аппаратная часть) так и способ их общения между собой (информационная часть).

цифровой интерфейс музыкальный midi

1. MIDI

Основная идея MIDI состоит в том, что это - событийно ориентированный интерфейс, по которому передаются сообщения, информирующие о наступлении различных событий в реальном времени. Когда исполнитель ударяет по клавише или, наоборот, отпускает ее, усиливает или ослабляет давление на нажатую клавишу, переключает тумблеры или поворачивает регулятор на панели управления, давит на педаль - инструмент преобразует каждое из этих действий в соответствующее сообщение, которое в закодированном виде отправляется по интерфейсу. Сообщения генерируются и отправляются достаточно быстро - 1000..1500 в секунду, поэтому они весьма точно описывают не только сами действия исполнителя, но и его индивидуальную манеру игры. Другие инструменты, подключенные к этому же интерфейсу, могут воспринимать эти сообщения и отрабатывать их так же, как будто исполнитель воздействует на их собственные органы управления - именно так и реализуется упомянутый "электронный оркестр". По MIDI можно соединить практически любое количество инструментов, и все они могут обмениваться сообщениями друг с другом.

Кроме сообщений, непосредственно отражающих действия исполнителя, по MIDI передается и множество других сообщений. Например, сообщения типа Clock (часы) передаются с частотой 6 раз на каждую четвертную долю и служат для синхронизации с инструментами, автоматически выдающими ритм или аккомпанимент, а также с устройствами записи. Сообщения типа MMC (MIDI Machine Control - управление MIDI-машинами) служат для запуска и остановки ритм-блоков: например, музыкант, отыграв вступление, нажатием педали посылает сообщение Start, которое получает ритм-блок и начинает играть сопровождение, которое может быть приостановлено и запущено вновь повторными нажатиями педали. Перед начало исполнения инструменты могут обмениваться служебными сообщениями, "договариваясь" о режимах работы, используемых тембрах или видах звуковых эффектов.

Благодаря MIDI создалась возможность не только объединения нескольких "полных" - то есть содержащих и клавиатуру, и блок синтеза звука - инструментов, но и разделения их на функционально независимые части - устройства ввода (контроллеры), обработки (процессоры) и синтеза звука (тонгенераторы). MIDI-контроллеры существуют в виде клавиатур, педалей, дыхательных (breath) датчиков, и даже гитар, скрипок или флейт, причем последние три вида - не какие-нибудь электронно-кнопочные, а самые обычные инструменты, игра на которых при помощи датчиков и анализаторов преобразуется в поток MIDI-сообщений, по которому специальные синтезаторы могут весьма натурально воспроизвести исполнительские нюансы. Тон-генераторы представляют собой "черные ящики", к которым подключается только MIDI-кабель и кабель усилителя - звук они издают только по MIDI-командам. А в качестве процессора чаще всего используется компьютер - Atari, Amiga, Macintosh или IBM PC.

Способ представления музыки в MIDI оказался настолько удобным и популярным, что уже в середине 80-х практически не выпускалось инструментов без его поддержки, а в новых операционных системах - в том числе Windows и OS/2 он был реализован в качестве одного из стандартных элементов ОС. Это очень важно, так как позволяет создавать программы, работающие только со стандартными системными функциями посылки и приема сообщений, а преобразование этих функций в команды конкретной интерфейсной или звуковой карты выполняется драйвером - специальной программой из комплекта карты. Таким образом, однажды разработанная программа заведомо будет работать с любой интерфейсной или звуковой картой и любым внешним инструментом.

Реализация MIDI в Windows и OS/2 использует понятие порта, эквивалентного разъему на обычном "железном" инструменте. Все сообщения, направляемые в порт вывода (MIDI Out), воспринимаются ответственным за него драйвером и либо пересылаются на реальный интерфейс, оканчивающийся настоящим разъемом, либо преобразуются в команды для встроенного синтезатора звуковой карты, либо отрабатываются самим драйвером, который в этом случае работает как имитатор синтезатора, самостоятельно создавая цифровой звук одним из методов синтеза и выводя его уже через звуковой канал обычной звуковой карты или даже на встроенный динамик-пищалку. Соответственно, все сообщения, приходящие по реальным кабелям на интерфейсную карту, воспринимаются ее драйвером и направляются в порт ввода (MIDI In), откуда могут быть считаны любой программой. Существуют также драйверы, не связанные с реальным оборудованием, предназначенные для создания "виртуальных MIDI-кабелей", соединяющих различные порты прямо внутри системы. В совокупности все это сильно напоминает сеть - а MIDI-интерфейс, по сути, как раз и позволяет создавать сети из музыкальных инструментов.

Благодаря системе портов, в системе несложно создать специальные виртуальные MIDI-устройства, которые обрабатывают проходящие через них сообщения - например, разделяют ноты, пришедшие с одной MIDI-клавиатуры, на две или более областей, направляя каждую область в свой канал порта вывода, что позволяет играть на одной клавиатуре в две или четыре руки разными тембрами, или преобразуя каждую ноту в аккорд, добавляя к ней дополнительные ноты.

Однако наиболее плодотворное использование MIDI получается не при живой игре, а путем применения секвенсоров - независимых устройств или компьютерных программ, способных запоминать все приходящие сообщения (разумеется, с сохранением их временных положений), а затем многократно воспроизводить по команде. Такая система подобна механическому пианино, в котором при игре на клавишах пробиваются отверстия в перфоленте, а затем по этой же перфоленте пианино может довольно точно "сыграть" произведение. По сути, секвенсор записывает не что иное, как партитуру исполняемого произведения в виде, напоминающем программу для станка с ЧПУ или компьютера. За исключением того, что каждая нота записывается парой сообщений - о нажатии и об отпускании клавиши - такая запись почти не отличается от обычной нотной.

2. КОММУТАЦИЯ MIDI

Существует несколько способов подключения синтезатора к компьютеру для передачи MIDI-команд:

1. стандартный MIDI-интерфейс;

2. USB-интерфейс;

3. комбинированное USB-MIDI-подключение.

Подключение через MIDI-интерфейс

2.1 MIDI интерфейс

MIDI-интерфейс является старейшим, наиболее универсальным и потому наиболее широком распространённым способом соединения широкого спектра MIDI-устройств. Стандартным MIDI-интерфейсом оснащены практически все MIDI-клавиатуры и большинство синтезаторов (из тех, что вообще рассчитаны на передачу MIDI-сигнала).

Для подключения синтезатора к компьютеру при помощи MIDI-шнура (кабеля) соединяют MIDI-выход синтезатора с MIDI-входом (MIDI-портом) компьютера.

MIDI-порт на компьютере может быть двух видов:

1. Совмещённый с 15-контактным Game-портом звуковой платы (при использовании недорогой бытовой звуковой платы), имеет трапецеидальную форму;

2. «Настоящий» 5-контактный MIDI-порт круглой формы (характерен для профессиональных звуковых плат и внешних MIDI-интерфейсов).

Соответственно, от типа MIDI-порта на компьютере зависит тип MIDI-кабеля, необходимого для соединения.

2.2 USB to host

Подключение по USB является более современным и удобным способом соединения синтезатора (или MIDI-клавиатуры) и компьютера. Серьёзным преимуществом такого подключения является возможность некоторых (но не всех) синтезаторов/MIDI-клавиатур получать по USB, помимо MIDI-сигнала, ещё и электропитание.

Это позволяет сузить количество подключённых к синтезатору проводов до одного. Кроме того, отпадает необходимость в отдельном MIDI-интерфейсе, которым не всегда снабжены профессиональные платы для звукозаписи.

При подключении посредством USB для обмена MIDI-информацией между синтезатором/MIDI-клавиатурой и компьютером используется виртуальный MIDI-порт, для функционирования которого необходимы драйвера, поставляемые обычно в комплекте с синтезатором или MIDI-клавиатурой.

В отличие от стандартного MIDI-интерфейса, при помощи которого MIDI-командами могут обмениваться любые MIDI-устройства -- например, MIDI-клавиатура и аппаратный синтезатор, -- метод подключения по USB ориентирован на подключение синтезатора/MIDI-клавиатуры исключительно к компьютеру.

На подавляющем большинстве синтезаторов и MIDI-клавиатур, поддерживающих передачу MIDI-сигнала по USB, стандартный MIDI-интерфейс также сохранён для максимальной совместимости с различными MIDI-устройствами.

2.3 Подключение синтезатора к ноутбуку

Нередко возникает задача MIDI-соединения устройств, не обладающих разъёмами одинакового типа. В частности, это касается подключения синтезатора или MIDI-клавиатуры к ноутбуку, для которого наличие стандартного MIDI-порта нехарактерно, но где практически всегда (на сколь-нибудь современных моделях) есть USB-порт.

В этом случае для подключения достаточно лишь приобрести внешний MIDI-интерфейс, в грубом приближении представляющий собой переходник USB-MIDI: к синтезатору он подключается через стандартный MIDI-порт, а к компьютеру (например, ноутбуку) -- посредством USB-порта.

Простейший MIDI-интерфейс, обладающий одной или двумя парами вход/выход, чего более чем достаточно для любительского применения.

3. MIDI СООБЩЕНИЯ

Для того чтобы MIDI-инструменты могли взаимодействовать друг с другом, им нужно иметь общий словарь. Именно здесь выходят на арену MIDI-сообщения, которые содержат в себе команды, в том числе данные о способе выведения, об изменениях, общесистемные сообщения и сообщения об исключениях системы.

Не все MIDI-устройства распознают все MIDI-команды. Например, звуковой модуль в общем случае не может послать сообщения воспроизведения, поскольку этот аппарат не имеет механизмов, которые эти команды создают.

Данные исполнения состоят из сообщений о включении и выключении ноты (note-on и note-off), о силе нажатия на клавишу (velocity), об изменении этой силы (after-touch), о вибрато (vibrato) и об изменении высоты тона (pitch bend).

Сообщения note-on и note-off представляют собой числа от 0 до 128. Например, ноте до средней октавы соответствует сила 60. Аналогично, сила нажатия velocity записывается и посылается как число в диапазоне от 0 до 127 (нуль соответствует самому тихому звуку, а 127 - самому громкому).

Управляющие сообщения - это тоже разновидность данных исполнения. Они содержат данные о звучании ноты, в том числе о модуляции, громкости и стереобалансе.

Общесистемные сообщения содержат данные о том, к какому каналу относятся передаваемые данные и к какому тембру из библиотеки звуков они относятся. Общесистемные сообщения также содержат информацию о синхронизации, общем уровне выходного сигнала и настройке эффектов.

Сообщения системных исключений содержат информацию, которая является специфичной для системы или устройства. Эти сообщения содержат среди прочего данные о новых моделях звуков.

4. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ

Передача данных по MIDI-интрфейсу -- это своеобразная "матрешка", протокол в протоколе, когда посредством MIDI-сообщений передаются данные, к MIDI отношения не имеющие.

Организация MMA разработала два протокола передачи данных по MIDI. Сначала, в январе 1986 года, был предложен Sample Dump Standard (SDS) -- стандартный способ передачи цифрового звука между семплерами и другими MIDI-устройствами, а несколько позже появился протокол MIDI File Dump, позволяющий передавать по MIDI-кабелю файлы любого формата.

До появления SDS обмен звуковыми данными между семплерами был возможен только двумя способами: либо с использованием дискет, либо прямым семплированием сигнала с выхода одного из семплеров другим. Оба способы были неудобны. Первый -- тем, что формат файлов в разных устройствах мог быть несовместим, второй -- тем, что звук подвергался лишнему цифро-аналоговому и аналого-цифровому преобразованию (на тот момент цифровых входов и выходов семплеры не имели). Раз звук находится в цифровом виде, то почему бы его не передавать по цифровому протоколу, тем более такому общепризнанному, как MIDI? Ответом на этот вопрос и стал SDS. Все семплеры имели MIDI-интерфейс, так что для обмена данными достаточно было всего лишь соединить устройства MIDI-кабелем.

Впоследствии, с развитием персональных компьютеров, удобство SDS выросло вдвойне: записанный в семплер звук требовал редактирования, а заниматься этим гораздо приятнее в звуковом редакторе на большом экране компьютера, чем на маленьком дисплее семплера. Для этого достаточно было оснастить компьютер MIDI-интерфейсом (к слову, компьютеры Atari изначально имели встроенные MIDI-порты). Популярные программы (такие как Alchemy и Sound Designer на Macintosh) поддерживали SDS и имели богатый арсенал средств редактирования.

На сегодняшний день протокол SDS все реже используется в реальной работе. По двум причинам. Во-первых, появились виртуальные семплеры, для которых проблема обмена звуковыми данными вообще не стоит, так как они работают на одном компьютере с другими виртуальными "приборами" и совместно используют одну файловую систему. Во-вторых, SDS имеет очень низкую скорость передачи данных (ограниченную пропускной способностью MIDI). SDS разрабатывался в то время, когда семплеры имели несколько сотен килобайт оперативной памяти, но никак не мегабайты. Размер современных семплерных библиотек огромен, так что весь ваш творческий подъем может сойти "на нет" при попытке передать по SDS хотя бы часть звуковых данных из пэтча какого-нибудь рояля, имеющего отдельный семпл на каждую клавишу.

В современных аппаратных семплерах используются альтернативы SDS: протокол SMDI (работает через SCSI-интерфейс) и шина USB, по которой передаются данные в формате, специфичном для конкретного прибора. Тем не менее, почти все современные семплеры поддерживают SDS. Серьезные звуковые редакторы поддерживают как SDS, так и SMDI. А, например, старенький Sonic Foundry Sound Forge четвертой версии позволяет даже сохранять звуковые данные в формате SDS на диске (правда, с какой целью, не очень понятно).

Несмотря на свой почтенный возраст и медленную передачу данных, протокол SDS и по сей день остается вполне работоспособным и надежным средством передачи семплов, не требующим никаких дополнительных интерфейсов.

4.1 Недостаток SDS

Самый главный недостаток протокола SDS -- очень медленная передача данных. Этот недостаток непреодолим и определяется физическими параметрами MIDI-интерфейса, имеющего пропускную способность 31,25 кБит/с. Подсчитаем, сколько времени требуется для передачи одной секунды монофонического звука с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 44100 Гц. Напомню, что один байт передается по MIDI-интерфейсу за 320 микросекунд.

Заголовок Dump Header имеет длину 21 байт (21 x 320 = 6720 мкс), после чего передающее устройство делает паузу (примем равной максимальному значению, две секунды). Все вместе составляет 2006,72 миллисекунды. Затем -- пакеты данных. Сообщение Data Packet имеет длину 127 байт, из которых 120 отводятся под сами данные. Из-за того, что полноценные восьмибитные байты по MIDI не передать, исходные звуковые отсчеты кодируются, как описано ранее. При 16 битах на отсчет два звуковых байта кодируются тремя MIDI-байтами данных. Так что в 120 байт пакета помещаются только 80 реальных байт. Одна секунда цифрового звука в нашем случае занимает 88200 байт (16 бит x 44100 Гц). Следовательно, всего потребуется 1103 пакета (88200 / 80 байт на пакет).

При передаче методом закрытой петли после каждого сообщения Data Packet от приемника приходит подтверждение -- сообщение ACK, занимающее 6 байт и требующее 1,920 мс на передачу. В идеале это сообщение высылается сразу же по получению пакета, а весь процесс сброса происходит без ошибок и повторной передачи. Тогда пара сообщений Data Packet/ACK требует 42,56 мс (127 x 320 мкс + 6 x 320 мкс). Умножая это число на 1103 пакета и прибавляя время на заголовок Dump Header, получаем 48950 мс, или почти 50 секунд. То есть, передача семпла занимает в 50 раз больше времени, чем продолжительность его звучания! При односторонней передаче ("открытая петля") это время еще больше, так как передатчик после каждого пакета пребывает в бессмысленном ожидании сообщения ACK, на что уходит еще 20 мс. В итоге время передачи увеличивается до 70 секунд. При разрядности семпла более 16 бит все выглядит еще печальнее.

Другой недостаток SDS -- невозможность передачи стереосемплов. Здесь, правда, можно повозиться: разбить стереофайл на два моно и передать их по очереди, но это лишняя работа и дополнительное время на ожидание. Длина семпла в SDS не может превышать двух мегаслов (4 Мб), хотя, впрочем, и такой семпл будет передаваться около часа. Разрядность семплов ограничена 28 битами.

Наконец, по SDS не передаются такие важные параметры, как ключевая нота семпла, его имя и зона клавиатуры, которую он покрывает. Передающее устройство ничего не знает о приемном, например, каков диапазон допустимых номеров семплов. Кроме того, отсутствуют команды по удаленному управлению семплерной памятью. Так, очень кстати могла бы быть команда по удалению семпла. Операции по настройке пэтча нужно выполнять вручную, с панели прибора.

4.2 SMDI

Почти всех перечисленных недостатков лишен протокол SMDI (SCSI Musical Data Interchange, произносится как "смиди"). Как следует из названия, для передачи данных в нем используется SCSI-интерфейс, а скорость обмена данными с семплером становится почти такой же, как и с обычным жестким диском. Передача семпла по SMDI происходит в 100-300 раз быстрее, чем по SDS.

Протокол SMDI был разработан в 1991 году компанией Peavey, а первым устройством, поддерживающим его, стал семпл-плеер Peavey DPM-SP. Стоит отметить, что многие семплеры на тот момент уже использовали SCSI-интерфейс для подключения дисков и для загрузки семплов. Однако стандартного протокола для передачи семплов по SCSI не было, производители семплеров использовали собственное "закрытое" программное обеспечение. Ситуация сложилась странная: организация MMA, хотя и осознавала ограниченность SDS, но занималась исключительно MIDI, а в ANSI (американском национальном институте стандартов, утвердившим SCSI) считали передачу семплов по SCSI слишком узкой темой, поэтому там ей тоже всерьез не занимались. В общем, если бы не инженер Matt Isaacson из Peavey (интересно отметить, что до этого он был сотрудником компании Sequential Circuits, а после -- CreamWare), работавший в то время над операционной системой DPM-SP, то, возможно, и по сей день не было бы столь распространенной альтернативы SDS.

Кроме передачи семплов, SMDI позволяет передавать обычные MIDI-сообщения. При наличии в студии нескольких семплеров можно создать на жестком диске одну базу данных семплов для всех устройств. Звуковые данные можно передавать посредством SMDI, а настройки пэтчей, специфичные для каждого семплера, -- также по SMDI, но посредством сообщений MIDI SysEx. Вообще, может появиться естественное желание убрать MIDI-кабели подальше и соединять приборы по SCSI. Однако SCSI предназначен для передачи буферизованных данных большого объема (таких, например, как цифровой звук), а для интерфейса, передающего события реального времени, он подходит гораздо меньше. Так что MIDI еще послужит, и довольно долго.

На сегодняшний день большинство современных семплеров и звуковых редакторов поддерживают SMDI. Основное предназначение SCSI-порта в семплерах -- непосредственное подключение дисковых накопителей (CD-ROM и жестких дисков). Протокол SMDI используется при необходимости редактирования семплов, что на большом экране компьютера доставляет одно удовольствие. Естественно, для этого в компьютере должен быть установлен SCSI-контроллер. Многие семплеры все еще поддерживают SDS, хотя, при современных объемах звуковых библиотек это, скорее, "аварийный" вариант. Наряду со SMDI все шире используется шина USB, а также программы, позволяющие управлять всеми параметрами пэтча и передачей самих семплов по USB. Скорость обмена в этом случае получается ниже, чем по SMDI, но все же несравнимо выше "тормозного" SDS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интерфейс MIDI -- главный результат тотальной взаимосовместимости, взятый музыкальной отраслью у компьютерной индустрии. Без него нынешние синтезаторы немыслимы.

Переоценить значимость этого нововведения трудно: по сравнению с монофоническими синтезаторами, тембры (звуки) которых настраивались с помощью патч-кордов и обычной человеческой памяти, полифонические инструменты со встроенной электронной памятью -- это как паровоз против реактивного самолёта.

Впрочем, даже сейчас, когда все новые синтезаторы оснащены MIDI или совместимым с ним форматом взаимодействия музыкального оборудования, Рик Уэйкман, например, по старой памяти возит с собой целый вагон различных инструментов.

Аутентичное звучание старых синтезаторов повторить невозможно, а имитация такового с помощью компьютеров музыкантов старой школы не впечатляет.

Размещено на Allbest.ru