Lezione 10 Standard MIDI File Programmazione MIDI Prof

Lezione 10 Standard MIDI File Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico)

Stato dell’arte ai primordi • Proliferazione di strumenti MIDI • Mancanza di un formato di file standard per lo scambio di MIDI songs • Ogni produttore di sequencer aveva sviluppato un proprio formato, legando di fatto gli utenti ai propri prodotti – Logica opposta a quella di uno standard di interoperabilità Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Obiettivi e definizioni • Obiettivo: memorizzare le sequenze per esportarle su altri sistemi o distribuirle – – Tali file devono essere interpretabili da qualsiasi programma (es. : sequencer, media player, browser, ecc. ) o sistema supporti il formato I comandi MIDI ivi contenuti (Channel Voice, Channel Mode, System, ecc. ) devono essere correttamente decodificati e gestiti • Definizione: protocollo per il trasferimento di informazioni MIDI tra dispositivi differenti • Aggiunto alle specifiche nel 1988 Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Sezione 10. 1 INTRODUZIONE AGLI SMF Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Gli Standard MIDI File (SMF) • Formato binario, con estensione di default. MID • I file contengono una o più sequenze MIDI in cui ogni singolo dato è temporizzato • Possono memorizzare intere song, tracce, informazioni sul tempo metronomico, sul tempo musicale, stringhe di testo cantato e altre info di carattere descrittivo • Formato sufficientemente generico per essere leggibile da molti sistemi, ma flessibile per poter contenere informazioni proprietarie dei sequencer – Esempio: TXT vs DOC (vantaggi e svantaggi) Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Tipo 0, 1 e 2 • Tre tipi di SMF: – Tipo 0: unisce tutte le tracce e tutti i canali su un’unica traccia; le informazioni di tempo e le impostazioni di bpm sono contenute nella traccia stessa – Tipo 1: salva ogni parte (canale MIDI) su una traccia separata nella partitura, e salva le indicazioni di tempo e il bpm un’unica volta, solo sulla prima traccia; è possibile salvare un’unica song – Tipo 2: mantiene separate le tracce e consente di creare sezioni, permettendo di specificare per ciascuna traccia e sezione impostazioni di bpm e indicazioni di tempo diverse Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Tipo 0, 1 e 2 Battute e pulsazioni Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Differenze rispetto ai file audio • GM non è ideato come strumento creativo o espressivo, ma come modo per distribuire contenuti con caratteristiche di compatibilità tra sistemi diversi e livelli di qualità accettabili – Esempi: sonorizzazione delle pagine Web, applicaz. Karaoke • Gli SMF contengono messaggi MIDI e non audio digitale: – – contengono comandi per istruire moduli sonori nel produrre forme d’onda (diverse a seconda del modulo) non contengono forme d’onda • Spesso il MIDI è detto livello sub-simbolico di codifica della partitura, o livello di performance Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Occupazione di spazio • Esempio: Preludio e Fuga n. 1 di J. S. Bach (3 min. ) – MIDI: 30 KB circa – WAV con qualità Audio CD: 30. 000 KB circa – MP 3 compresso a 128 kbps: 3. 000 KB circa • Queste considerazioni spiegano il successo (soprattutto nei primi tempi) in campi quali la sonorizzazione delle pagine Web e le suonerie polifoniche per cellulari Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Vantaggi e svantaggi • Sia SMF sia file in formati audio digitali (compressi o non compressi) sono leggibili dalla maggior parte dei computer • La descrizione musicale negli SMF è semanticamente vicina al livello simbolico di partitura, e dunque: – – molto compatta facilmente manipolabile con operatori tipicamente musicali, anche in modo puntuale o parte per parte • L’effetto audio di uno SMF non è prevedibile con precisione (dipende dal modulo sonoro) ed è legato alle limitate opzioni offerte dai timbri GM Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Sezione 10. 2 STRUTTURA DEGLI SMF Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Chunk • Chunk: strutture dati con una struttura comune • Intestazione dei chunk di 8 byte: – – 4 byte (32 bit, 4 char ASCII) che definiscono il tipo di chunk 4 byte (32 bit, 1 longint [0. . 232 -1]) per esprimere la lunghezza in byte del chunk stesso (eclusi gli 8 byte di intestazione) Header (8 byte) Tipo Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File Lunghezza

Formati strutturati a chunk • AIFF (Apple, 1988) • RIFF (Microsoft e IBM, 1991) Formati di interscambio di file • PNG - Portable Network Graphics (1996) Formato per le immagini raster • 3 DS Max File Formato proprietario per il salvataggio di oggetti 3 D Studio Max • … Piè di pagina: spazio libero per eventuale nome struttura o altro

Tipi di chunk • Il formato SMF è basato su sequenze di chunk • I chunk hanno sempre una parte di intestazione o header (4+4 byte) seguita da una parte di dati (lunghezza variabile, ma definita in una sottoparte dell’intestazione) • Due tipi di chunk in MIDI: – – MIDI Track header (MThd) chunk, o blocco di intestazione di traccia MIDI Track (MTrk) chunk , o blocco di traccia MIDI • Struttura: 1 MThd seguito da [1. . n] MTrk Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Struttura generale di uno SMF • MThd <lunghezza dei dati dello header><dati dello header> M T h d Lunghezza • MTrk <lunghezza dei dati della track> <dati della track> M T r k • … Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File Lunghezza

Prima struttura: MIDI Track header (MThd) chunk • MThd <lunghezza dei dati dello header><dati dello header> M T h d Lunghezza • Contenuto esadecimale del chunk 4 D 54 68 64 00 HEADER 00 00 06 00 0 x nn nn tt tt DATI (codice ASCII per MThd) (lunghezza pari a 6 byte) (tipo SMF) (tracce MTrk) (risoluz. ) • x = 0 SMF Type 0, x = 1 SMF Type 1, x = 2 SMF Type 2 • nn identifica il numero di tracce di tipo MTrk presenti • tt tt indica la risoluzione temporale (vedi slide successiva) Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Approfondimento sulla risoluzione • Gli ultimi 2 byte del chunk MThd, ossia tt tt nella slide precedente, definiscono la risoluzione temporale • Sono supportati 2 tipi di risoluzione: – – metrical time Se il bit 15 (il bit più significativo nella coppia di byte) è uguale a zero, i bit dal 14 allo 0 rappresentano il numero di tick in cui viene divisa una nota da un quarto. Questo valore è detto PPQN (Pulse per Quarter Note), ossia numero di impulsi (tick) per quarto time-code-based time Se il bit 15 è uguale a 1, si fa riferimento a come si suddivide il secondo come unità di tempo, in modo consistente con SMPTE e MIDI Time Code. I bit da 14 a 8 contengono i valori -24, -25, -29, -30 (espressi in complemento a due) che corrispondono agli standard SMPTE e MTC (con il -29 si identifica il formato 30 drop frame) e rappresentano il numero di frame per secondo. I bit da 7 a 0 (espressi normalmente) rappresentano la risoluzione all'interno di un frame. Ad esempio, 4 è la risoluzione del MIDI Time Code. Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Esempi di risoluzione metrical-time • Si esprime come viene suddivisa la pulsazione da un quarto • Esempio: se tt tt = 0016 6016 = 9610 – – per rappresentare un intervallo temporale di un quarto fra due eventi successivi il numero dei tick n = 9610 per un intervallo di un ottavo n = 4810 • L’intervallo di tempo che separa due eventi è detto delta time (si vedano le slide successive) Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Altre strutture: MIDI Track (MTrk) chunk • MTrk <lunghezza dei dati dello header><dati della track> M T rh dk Lunghezza • Contenuto esadecimale del chunk 4 D 54 72 6 B nn nn HEADER (codice ASCII per MTrk) (lunghezza variabile) ? ? ? ? DATI (eventi MIDI della traccia) • Dopo l’header, vengono descritti tutti gli eventi MIDI della traccia, in termini di coppie [delta time, event]: ogni evento viene temporizzato Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Tempo Delta • Fra ogni coppia di eventi in un chunk di traccia si inserisce un tempo delta, o T • T rappresenta la durata in PPQN (pulse per quarter note) del lasso di tempo che intercorre tra un evento e quello immediatamente successivo • La sua risoluzione viene definita all’interno del chunk di intestazione (MThd chunk), ma i valori di T evento per evento sono scritti all’interno del chunk di traccia (MTrk chunk) Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Rappresentazione del Tempo Delta • T viene rappresentato in lunghezza variabile, ovvero utilizzando – – un numero variabile di byte solo 7 bit per byte • Per la ricostruzione del valore complessivo, si usa una logica tipo MSB-LSB, ma con un numero grande a piacere di byte • Ogni byte nella rappresentazione a lunghezza variabile ha il bit più significativo posto ad un valore fissato, in modo da poterlo riconoscere. • Tutti i byte hanno il bit più significativo posto a 1 tranne l’ultimo, il quale ha il bit valorizzato a 0. Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Esempio di rappresentazione in lungh. variabile Sia 128016 il valore da convertire in rappresentazione in lunghezza variabile 1. Si converte il numero in base 2, e si considera come un’unica stringa di bit 2. Partendo da destra (cifre meno significative) si compongono blocchi di 7 bit, ricordando che: 1. 2. gli 0 in posizione più significativa si possono scartare (non ha senso un primo blocco di tutti 0); Per completare il blocco da 7 bit più significativo, è possibile riempire con 0 a sinistra 3. Si porta la dimensione dei blocchi da 7 a 8 bit anteponendo 1 a ogni blocco, tranne che all’ultimo 4. Si converte la rappresentazione in base 16 Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File 00010010 10000000 1001010000000 01001010000000 10100101 0000 A 5 00

Esercizi • Si esprimano in notazione a lunghezza variabile i seguenti numeri: – – – 1011010112 10001111 011000002 2710 7210 3 A 16 10 F 16 Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Osservazioni sul Tempo Delta • Se T = 0, gli eventi MIDI “separati” da T occorrono simultaneamente • Esempio: 9016 3 C 16 4016 0016 9016 4016 ossia: Note. On [Ch 1, Do 4, Vel 64] 0016 Note. On [Ch 1, Mi 4, Vel 64] crea un accordo Do 4 – Mi 4 simultaneo • Attenzione: T separa generici eventi MIDI. Quando T permette di calcolare la durata di una nota? In un caso molto particolare: se la coppia di eventi separata da T è Note. On – Note. Off (senza altri eventi in mezzo), e i due messaggi sono relativi allo stesso canale e allo stesso pitch, Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Confronto tra scrittura musicale e MIDI In musica evento In MIDI evento T 1 Note. On Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File T 2 T 4 T 3 Note. Off/Note On t Note. Off/Note. On

Esercizi • Si mostri il chunk MThd per un file MIDI con le seguenti caratteristiche: – Tipo 0 – [Un’unica traccia] – Risoluzione temporale metrical-time di 128 PPQN • Si mostri un esempio di chunk MTrk corrispondente all’MThd sopra definito per la seguente situazione: – Un evento Note On seguito da un evento Note Off per una nota La dell’ottava centrale di durata una metà sul canale 8 con velocity 99 Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Soluzione • Chunk MThd 4 D 54 68 64 00 00 00 06 00 00 00 01 00 80 – Tipo 0 – Un’unica traccia – Risoluzione temporale metrical-time di 128 PPQN • Chunk MTrk (incompleto) 4 D 54 72 6 B ? ? ? ? … 97 45 63 82 00 87 45 63 … – – Note On (10012 = 916) sul canale 8 (01112 = 716) Note Off (10002 = 816) sul canale 8 (01112 = 716) Pitch 6910 = 4516 Velocity 9910 = 6316 Rappresentazione del T: 25610 = 100002 (1)00000102 (0)00000002 = 8216 0016 Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File

Durata in microsecondi di un tick • Come si trasforma un intervallo in tick in un intervallo in secondi o sottomultipli? Per passare a valori in unità di tempo assolute è necessario conoscere il BPM della song. • Sia b il valore di BPM (numero di pulsazioni al minuto), e p il valore di PPQN (risoluzione in tick per pulsazione da un quarto). Si voglia calcolare d, durata in millisecondi del tick. Ricordiamo che: – – b rappresenta quante pulsazioni si trovano in 1 minuto = 60000 ms (b · p) rappresenta quanti tick si trovano in 60000 ms • Durata in millisecondi d = 60000 / (b · p) ; in secondi d = 60 / (b · p) • Esempi: – – per BPM = 60, PPQN = 20 d = 0. 05 s per BPM = 120, PPQN = 25 d = 0. 02 s Programmazione MIDI (Prof. Luca A. Ludovico) 10. Standard MIDI File (1 quarto dura 0. 05 · 20 = 1 s) (1 quarto dura 0. 02 · 25 = 0. 5 s)