MIDI-технология на компьютере.

Появившаяся в начале восьмидесятых годов MIDI-технология вскоре получила новый импульс в связи с широким распространением персональных компьютеров.

Миди файл представляет собой список ссылок на звуки в WT синтезаторе звуковой карты, и список команд, таких как тональность, продолжительность, скорость звука и т.д.

Основными недостатками MIDI считаются низкая скорость передачи информации, узкий диапазон изменения параметров и ограниченная сфера применения. В то время как одно из главных ее достоинств — небольшой объем файлов — в последнее время уже потеряло решающее значение: цены на пишущие CD-приводы и “болванки” для записи становятся все доступнее. А с появлением широких возможностей по использованию при создании музыки готовых, заранее записанных музыкальных фраз с CD-качеством (всякие “лупы”, “сэмплы” и т.п.) многие “артисты” вообще решили, что таких проблем, как обучение нотной грамоте, владению инструментом, MIDI-технология и пр. для них не существует.

Однако если принять во внимание, что MIDI-технология изначально предназначалась не для записи или воспроизведения музыки, а только лишь для управления на некоем расстоянии (в пространстве и времени) синтезаторами, звуковыми модулями и прочими “железными” ящиками, то многие претензии к ней будут сняты. Это все равно, что упрекать виолончель за плохое звучание во флейтовом регистре.

Итак, чтобы закончить мысль о достоинствах и недостатках MIDI, сделаем несколько предварительных выводов. Во-первых, MIDI-технология остаётся ведущей в компьютерной и аппаратно-студийной области. Во-вторых, она совершенствуется, учитывает новые требования и новые технические возможности. Об этом говорит последовательное появление стандартов GM, GS и XG. В-третьих, идея оказалась настолько удачной, что MIDI-технология вовлекает в сферу своего влияния все новые и новые области, для которых она и не предназначалась, — управление магнитофонами, устройствами звуковой обработки, микшерскими пультами (не говоря уже о мультимедийных продуктах и компьютерных играх).

В музыкальном обучении качество звучания уже не играет столь значительной роли, как в звукозаписи или концертной деятельности. Зато возможность воспроизводить изучаемый опус в любом темпе и (тут вокалисты и духовики должны затаить дыхание) в любой тональности делают MIDI-технологию незаменимой в музыкальных школах и училищах. Смешно сказать, но для этого достаточен 286-й компьютер со звуковой картой за 40 долл. Я думаю, недалеко то время, когда некий аппарат, подобными характеристиками станет распространенней метронома. А вместо толстых нотных сборников люди будут покупать дискеты с этюдами Черни или Шопена.

Описание MIDI-интерфейса.

MIDI — Musical Instrument Digital Interface — компьютерный протокол (иногда говорят — язык), предназначенный для связи одного музыкального устройства с другим. Оба эти устройства должны обладать любого вида микропроцессором или программой, которые поддерживают MIDI-протокол.

Рис.4.Пример использования MIDI.

Пример использования MIDI: На синтезаторе вы можете играть ноты, выбирать новый тембр инструмента, менять громкость, но сам он сейчас не звучит. Все перечисленные действия передаются по MIDI-кабелю (красного цвета) в виде команд на звуковой модуль. Последний выполняет все эти действия (звучат сыгранные ноты, меняется тембр и громкость) и выдает звук через обычные динамики. Красная стрелка показывает направление потока MIDI-сообщений (Рис.4).

Цель MIDI — управлять работой музыкального устройства не с его панели или клавиатуры, а на расстоянии (по MIDI-кабелю) — с другого устройства. Для этого второе устройство передает первому последовательность управляющих команд, которые называются MIDI-сообщениями.

Информация передаваемая с помощью MIDI

Все, что вы делаете, управляя работой своего музыкального устройства (крутите ручки, нажимаете на кнопки, играете на клавиатуре), может передаваться в виде управляющих MIDI-сообщений на ваше устройство с другого MIDI-устройства.

MIDI-сообщение передает не сам звук (аудиоинформацию) или какие-то его характеристики, а только управляющие команды, которые выполняются устройством-получателем.

Сам процесс передачи MIDI-сообщения может осуществляться в реальном времени (во время исполнения или воспроизведения музыки), но может быть и разорванным во времени. В этом случае MIDI-сообщение записывается в виде файла на дискету или жёсткий диск компьютера, а потом считывается устройством-получателем.

Музыкальные устройства принимающие информацию по MIDI

Технология MIDI с самого начала была предназначена для связи между самыми различными устройствами (синтезаторами, звуковыми модулями, компьютерами, устройствами цифровой обработки звука и многими другими).

MIDI-устройство должно иметь:

1) внутри — программу или микропроцессор, который понимает MIDI-информацию;

2) снаружи — разъемы, к которым подсоединяется MIDI-кабель.

MIDI-разъемы

По MIDI-кабелю (в отличие, скажем, от телефонного)информация передается всегда в одном направлении. Поэтому каждый MIDI-разъем используется только для одной цели в зависимости от его вида.

Таблица 1.

В качестве разъема для MIDI используется стандартный европейский 5-контактный разъем Рис. 5.

Рис. 5.MIDI-разъем. Контакт 2 — земля, контакты 4 и 5 — сигнальные, контакты 1 и 3 — не используются.

Существует три вида MIDI-разъемов, они представлены выше в таблице.

MIDI-кабель соответственно должен иметь три провода, которые соединяют контакты 1, 4 и 5 на обоих его концах.

Соединение MIDI-устройств между собой

Всегда одно устройство передает MIDI-сообщение, другое получает. MIDI-кабель связывает разъем MIDI Out передающего устройства с разъемом MIDI In принимающего. Если вы хотите направить информацию в обратную сторону, вы должны соединить устройства по-новому (в соответствии с тем, что было сказано в предыдущем предложении) или использовать еще один кабель и, опять же, связать MIDI-выход одного устройства с MIDI-входом другого (рис. 6).

Рис. 6.По одному MIDI-кабелю синтезатор передает MIDI-сообщение на звуковой модуль. Затем (но не одновременно) по другому MIDI-кабелю этот модуль может послать свое MIDI-сообщение на синтезатор.

У любого устройства имеется только один MIDI-выход. Поэтому, если с него нужно посылать команды на два или несколько других устройств, используется разъем MIDI Thru. Тогда подключение устройств-приемников происходит последовательно (рис. 7). Но имеются, конечно, и специальные приборы, которые способны разветвлять MIDI-сообщения. Тогда нет необходимости в последовательном подключении MIDI-устройств.

Рис. 7.

Компьютер посылает MIDI-сообщения для синтезатора и звукового модуля через свой MIDI-выход. Они оба поступают на MIDI-вход синтезатора, оба выходят через его разъем MIDI Thru. Синтезатор не может добавить никакую свою информацию, поэтому эти MIDI-сообщения в неизмененном виде поступают на MIDI-вход звукового модуля. Каждое из устройств-получателей само определяет, какие команды, находящиеся в MIDI-сообщениях, ему следует выполнять. Кривые линии красного цвета изображают MIDI-кабели, прямые линии красного цвета — схематический путь MIDI-информации.

Итак, первое — при подключении MIDI-устройств вы всегда должны учитывать направление передачи информации. Второе — при подключении третьего и следующих MIDI-устройств вы должны пользоваться разъемом MIDI Thru. Третье — передаваемая MIDI-информация аналогична управлению вашим синтезатором с помощью ручек, кнопок или клавиш.

Типы MIDI-сообщений

Все типы MIDI-сообщений делятся на две большие группы (рис. 8). Системные MIDI-сообщения (System message) передают команды, которые воздействуют на общие параметры и режимы работы всех устройств-получателей.

Рис. 8.Разделение всех типов MIDI-сообщений на две группы.

Примером системного сообщения может служить команда “Старт”, которая включает режим воспроизведения у любого секвенсора или магнитофона, находящегося в MIDI-связке.

Канальные MIDI-сообщения (Channel message) включают в себя номер MIDI-канала и передают сообщения на каждый MIDI-канал индивидуально. Всего для одного (и каждого) устройства MIDI-технология предусматривает 16 MIDI-каналов.

MIDI-каналы

Представьте себе обычный многодорожечный магнитофон. На одну дорожку можно записать трубу, на другую — гитару и так далее. При воспроизведении мы слышим все записанные дорожки одновременно.

MIDI-каналы предназначены для того, чтобы один синтезатор или звуковой модуль мог играть несколькими разными тембрами одновременно, причем каждый тембр (инструмент) исполняет свою независимую партию.

Когда одно устройство передает канальные MIDI-сообщения на другое, внешне это выглядит так, как если бы они были соединены шестнадцатью кабелями (и по каждому следуют указания о том, какие ноты каким тембром играть).

Рис. 9.Разделение MIDI-сообщений на MIDI-каналы.

На самом деле MIDI-технология использует один кабель, но в каждое канальное MIDI-сообщение вписывается номер MIDI-канала, для которого оно предназначено. Устройство-получатель, пользуясь этим номером, направляет каждое канальное MIDI-сообщение на свой канал (рис. 9).

Типы сообщений из группы Channel

1) Канальные MIDI-сообщения можно разделить по типам их структуры и по их целям. В последнем случае имеются две группы MIDI-сообщений: голосовые (Voice message) и режимные (Mode message).

Рис. 10.MIDI-сообщения из группы Channel. Все режимные сообщения по типу (а не по функциям, как они разделены на этом рисунке) являются MIDI-сообщениями типа Control Change, поэтому изображены одним цветом и обведены пунктиром.2)

Голосовые сообщения несут информацию о нотах, тембре и других характеристиках, которые должно учитывать устройство-получатель для конкретного MIDI-канала.

3) Режимные сообщения тоже делятся на две группы. Первая группа воздействует на конкретный MIDI-канал (эти сообщения устанавливают канал в состояние по умолчанию — сбрасывают все ноты, настраивают канал на стандартную высоту звука и пр.).Сообщения второй режимной группы воздействуют на все MIDI-устройство в целом, другими словами, устанавливают режим его работы.

MIDI-сообщения группы System

В отличие от канальных сообщений все MIDI-сообщения группы System message принадлежат одному типу (то есть имеют одинаковый статус).

Но по своему функциональному назначению их делят на три подгруппы (рис. 11). К первой из них (System Real Time) относятся сообщения, связанные с синхронизацией работы двух MIDI-устройств.

Рис. 11.MIDI-сообщения из группы System message (подгруппы показаны разным цветом, но по статусу принадлежат к одному типу — Control Change).

Во второй подгруппе (System Common) находятся сообщения, которые одинаково воспринимаются всеми MIDI-устройствами. Поэтому они и называются “общими”. Эта группа просто собрана из различных MIDI-сообщений, и между ними нет никакой логической связи.

Сообщения третьей группы (System Exclusive) являются одними из самых важных и самых неформализованных в MIDI-технологии. Они носят название “эксклюзивные”, потому что содержание данных определяется для каждого MIDI-устройства своей фирмой-производителем и не может быть распознано устройством другой модели или фирмы. Среди этих сообщений могут быть команды о настройке всего устройства целиком или отдельных его модулей. Другие сообщения управляют процессом передачи данных сэмплов или каких-то специальных файлов (Sample Dump, File Dump).

Mp3 — технология сжатия звуковой информации

Само название МрЗ появилось в результате сокращения аббревиатуры MPEG-1 Layer3.

MPEG (Motion Pictures Expert Group) — это группа при Международной организации по стандартизации и Международном электрическом комитете, которая занимается разработкой стандартов для цифрового сжатия видео и аудио информации. А зачем сжимать эту информацию? Во-первых, для экономии экономических и материальных ресурсов при передаче информации на расстояние по каналам связи (в том числе и спутниковым), а во-вторых, для ее хранения.

Официальное одобрение стандарт MPEG-1 получил в 1992 году, однако до недавнего времени открытие не было востребовано в полной мере. Лишь с появлением достаточно мощных процессоров Pentium (с тактовыми частотами от 300 МГц и выше, позволяющих резко снизить время на кодирование/декодирование сигнала) и высокоскоростных модемов стандарт получил широкое признание.

Стандарт MPEG-1 является потоковым форматом и состоит из аудио, видео и системной частей. Последняя часть содержит информацию об объединении и синхронизации двух первых.

Передача данных происходит потоком независимых отдельных блоков данных — фреймов, получаемых при «нарезке» на равные по продолжительности участки, которые кодируются независимо друг от друга.

Всего в настоящее время существует пять видов (номеров) стандартов MPEG:

1) MPEG1 — сжатие аудио и видео с общей скоростью до 150 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц);

2) MPEG2 — сжатие аудио и видео с общей скоростью до 300 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц), сжатие аудио ИДЕНТИЧНО MPEG1;

3) MPEG2.5 — сжатие аудио с пониженным разрешением (аудио 16,22.05,24 килогерц). Интересно заметить, что стандарт MPEG2.5 (еще известный как MPEG2 LSF — LOW SAMPLE FREQUENCY — низкая частота сканирования аудио) введен фирмой IIS Fraunhofer (институт информационных технологий имени Фраунхофера из Германии). Этот стандарт является расширением «чистого» аудио MPEG2 (то есть MPEG1!) для частоты сканирования аудио в два раза меньшей, чем обычно;

4) MPEG3 — многоканальный MPEG1+MPEG2. Этот стандарт практически не используется;

5) MPEG4 — новомодный за рубежом стандарт. Его особенность: может держать до 8-и каналов аудио (то есть AC-3 — цифровое расширение системы Surround.

Чем выше индекс уровня тем выше сложность и производительность алгоритма кодирования, соответственно и увеличиваются требования к системным ресурсам.

Здесь под термином ‘кодирование» понимается процесс, позволяющий получать файл в сжатом виде, который занимает меньше места на диске и соответственно быстрее передается по каналам связи. В сжатой форме файл использоваться не может, соответственно, перед использованием его необходимо декодировать. Сжатие файла происходит не всегда с положительным результатом. Результат напрямую зависит от метода компрессии и от содержимого самого файла.

Принцип кодирования сигнала в MPEG Audio основан на использовании психоакустической модели (Psycho-acoustics), суть которой в следующем.

Существует ряд звуковых частот, которые человеческое ухо не воспринимает. Происходит маскирование одних звуков другими, как с большей амплитудой, так и с близкой частотой. Так, например, если излучается сильный звук частотой 1000 Гц (маскирующий), то более слабый звук частотой 1100 Гц (маскируемый) человеческое ухо не зафиксирует из-за особенностей порога слышимости человеческого уха. Порог слышимости на краях частотного диапазона (16-20 Гц и 16-20 кГц) значительно повышается, т.к. на этих частотах слух имеет значительно меньшую чувствительность по сравнению с областью наибольшей чувствительности слуха (диапазон 1-5 кГц). Также известно, что время восстановления чувствительности слуха после громкого сигнала составляет порядка 100 мс, а время задержки восприятия этого же сигнала составляет порядка 5 мс.

Таким образом, происходит передача только той звуковой информации, которая может быть адекватно воспринята подавляющим большинством слушателей, а вся остальная, увы, безвозвратно теряется.

Как уже упоминалось, все уровни имеют одинаковую базовую структуру, при которой кодер анализирует исходный сигнал, вычисляет для него гребенку фильтров (32 полосы) и применяет психоакустическую модель. С заранее выбранной частотой квантования, величиной потока и маскирования кодер производит квантование и кодирование сигнала.

Сравнительные характеристики способов кодирования для одного канала при частоте квантования в 32 кГц представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Перед кодированием исходный сигнал разбивается на фреймы, каждый из которых кодируется отдельно с разными параметрами и помещается в конечном файле независимо от других. Последовательность воспроизведения определяется порядком расположения фреймов. Вся информация о фрейме содержится в его заголовке, а информация о фреймах содержится в заголовке файла. Для информации об артисте, альбоме, названии композиции, жанре и пр. предусмотрен ID3/ID2 tag — заголовок. Подавляющее большинство существующих проигрывателей используют данный заголовок для прокрутки этой информации во время проигрывания музыкального фрагмента.