MIDI Musical Instrument Digital Interface Seminar iz PVPRM

MIDI – Musical Instrument Digital Interface Seminar iz PVPRM PA 3 k 36360152

Što je MIDI? • Digitalni jezik, protokol kojim komuniciraju muzički elektronički instrumenti i ostala muzička i nemuzička oprema. • Protokol koji je široko prihvaćen od strane proizvođača tih uređaja i korišten od strane muzičara. • Atraktivan protokol ne samo za skladatelje, izvođače i učitelje, već i računalnih aplikacija koje proizvode zvuk (multimedijske prezentacije i računalne igrice). • Dopušta muzičarima i kompozitorima da budu kreativniji na samom koncertu ili u studiju pišući muziku sa zvukovima koje se ne mogu dobiti uz pomoć ikakvog instrumenta. • MIDI specifikacije definiraju električke karakteristike međusklopa i protokol koji se koristi za prijenos podataka prilikom komunikacije. • MMA – MIDI Manufacturer’s Association, 1982/83 god.

Za početak malo solffegia! • • • Tempo se upisuje iznad crtovlja na Oko nas, svaki akustički signal proizveden početku svakog stavka, obično ustaljenim na bilo koji način, a nalazi se unutartalijanskim čujnog nazivima (andante, alegro, područja je zvuk. moderato…), a ponekad se dodaje broj Ton je zvuk s točno određenom “visinom” metronomskih udaraca. tona (osnovnom frekvencijom), jačinom (intenzitetom) i bojom tona (sastojcima viših Mjera se označuje “razlomkom” harmonika) i trajanjem. upisanim u notno crtovlje. Nota je simbolički zapis tona, te njegovo trajanje obilježava se različitim simbolima Ritam se upisuje kao naziv koji se upisuju u notno crtovlje na različitim karakterističnog plesa – mjestima, ovisno o visini i trajanju tona. valcer, tang, chachaca… Privremeni izostanak tona su pauze, a njih isto upisujemo u notno crtovlje ovisno o Dinamika je stupnjevanj glasnoće i trajanju različitim simbolima. označuje se nazivima piano, forte, Ostala glazbena svojstva koja se upisuju uz mezzoforte…, a postepena promjena notno crtovlje su: označujemo sa cressendo, decressendo, – RITAM diminuendo… – TEMPO – MJERA Dodatni znakovi – legato, . (točka) –(portato), >, < – DINAMIKA – DODATNI ZNAKOVI

Prikaz partiture

Priroda zvuka, tona… • Sviranje – proizvoditi zvuk instrumentom pod kontrolom muzičara; u bilo koje vrijeme početi svirati; potrebno dugo svirati; te prestat svirati. • Postoji karakteristična krivulja zvukova instrumenta – ADSR. • Na neke dijelove, parametre se može utjecati, a na neke ne.

Muzički instrumenti • GLAZBALA – proizvode za uho ugodan zvuk promjenjivim zvučnim tlakom i to povlačenjem, puhanjem, udaranjem itd. • Za estetski doživljaj brinu se visina, jakost i boja tona. • Boja tona ili spektralni sustav viših harmonika čini zvukovno razlikovati instrumente iako oni sviraju istu notu. • To ovisi o obliku, materijalu instrumenta, načinu dobivanja tona. • Karakteristika instrumenta se malo mijenja s visinom tona kojeg se svira, te s jačinom kojom se taj ton odsvirao.

Pređimo na električku stranu svega ovoga • Zabilježiti, pohraniti zvuk – mikrofonom akustički signal pretvaramo u električki analogni, pa AD-pretvorbom u digitalni. • Digitalni podatak u PCM formatu spremljen je u WAV datoteku. • Visokokvalitetan sempliran stereo audio signal u PCM formatu pri 16 -bitnoj rezoluciji sa frekvencijom uzorkovanja od 44. 1 k. Hz zauzima 10 MB po jednoj minuti pjesme - CD standard. • Podaci u WAV datoteci su vjerniji originalnom zvuku instrumenata i ljudskom glasa. • Digitalni zapis pjesme sadrži spremljene zvukove svih instrumenata i glasove zajedno. • Takav zapis može vrlo teško biti prepravljan, naknadno izdvajati instrumente i glasove koristeći jaka računala ili radne stanice. • Za razliku od MIDI podataka, tj. MIDI datoteke koja su iznimno mala, a zbog čega je tako vidjeti ćemo u narednim slajdovima.

MIDI • Svaki instrument u orkestru ima svoj notni zapis koji glazbeniku govori što, kada, kako i koliko da svira. • Isto tako se kod MIDI-a vrši “sviranje” interpretacijom podataka. • “Notni” podaci poslani uređaju za generiranje zvuka predstavljaju poruke kada odsvirati, koji ton, koliko dugo, kojom jačinom, zvuk kojeg instrumenta… • Komunikacija informacija u obliku poruke je muzičke prirode, a najmanja jedinica za prijenos informacije je BAJT. • Bajtovima se prenosi velika količina podataka. • Uređaje je potrebno međusobno spojiti određenim kablovima, na određene međusklopove, na kojima se nalaze određeni portovi koji su točno električki i signalno specificirani kako bi se izvršila komunikacija koja ide po točno određenom protokolu određenim porukama koje su generirane od strane muzičkih instrumenta ili raznih programa od strane računala.

Spajanje MIDI uređaja • Na MIDI portove MIDI kablovima (posebno oklopljenim i uzemljenim 5 -pinskim DIN konektora) • Duljina cijelog MIDI lanca može biti neograničena, ali duljina kabla između dva MIDI uređaja ne smije biti veća od 15 m, opt. max. 6 m (3, 1. 5 m) • Tri porta: MIDI IN, MIDI THRU, MIDI OUT

Spajanje MIDI uređaja • Na MIDI portove MIDI kablovima (posebno oklopljenim i uzemljenim 5 -pinskim DIN konektora) • Duljina cijelog MIDI lanca može biti neograničena, ali duljina kabla između dva MIDI uređaja ne smije biti veća od 15 m, opt. max. 6 m (3, 1. 5 m) • Tri porta: MIDI IN, MIDI THRU, MIDI OUT

Spajanje MIDI uređaja • Na MIDI portove MIDI kablovima (posebno oklopljenim i uzemljenim 5 -pinskim DIN konektora) • Duljina cijelog MIDI lanca može biti neograničena, ali duljina kabla između dva MIDI uređaja ne smije biti veća od 15 m, opt. max. 6 m (3, 1. 5 m) • Tri porta: MIDI IN, MIDI THRU, MIDI OUT

Fizički nivo MIDI međusklopa • Na hardwerskom nivou je vrlo sličan RS-232 standardu. • Serijska komunikacija čiji se 10 bitni okvir sastoji od start, osam podatkovnih i stop bitova s brzinom prijenosa od 31. 25 k. Bauda. • Obavezno ulazni portovi trebaju biti optički izolirani kako bi se izbjeglo zatvaranje strujnih petlji zbog razlike potencijala dvaju uređaja. • Spaja se MIDI OUT na MIDI IN, te MIDI THRU na MIDI IN.

Fizički nivo MIDI međusklopa MIDI standard RS-232 standard Format okvira poruke 1 start bit 8 podatkovnih bitova 1 stop bit bez paritetnog bita 1 start bit 5÷ 8 podatkovnih bita 1÷ 2 stop bita najčešće sa paritetnim bitom Brzina prijenosa [k. Bit/s] 31 k 25 +/-1% Standardna: 300, 600… 19 k 2 Proširena: 38 k 4, 57 k 6, 115 k 2 Signali (zaključeni) (prazan hod) (kratki spoj) STRUJNI logička 0: 5 m. A logička 1: 0 m. A Nedefinirani NAPONSKI logička 0: +5 V÷+15 V logička 1: -5 V ÷-15 V +/-25 V max +/-100 m. A max Opterećenje prijemnika Opto-izolator (inače nedefinirano) 3 k÷ 7 k. Ohma Osjetljivost prijemnika < 5 m. A za uključenje +/- 3 V Ulazni opseg prijemnika Nedefinirano +/-3 V ÷ +/-15 V Brzina rast/pad signala max min Nedefinirano 2 s (max) vrijeme porasta/pad 30 V/ s (max) slew-rate Nedefinirano Max. duljina kabla 15 m 2500 p. F (aprox. 15 m) Izolacija Optička izolacija na prijemnom dijelu Nedefinirana Upravljački signali Nikakvi Predajnika: RTS, DTR Prijemnika: CTS, DSR, DCD, RI Fizički konektor 5 -pin DIN (180°) D 9, D 25

MIDI protokol • Protokol se sastoji od jednosmjernog asinkronog slanja 10 -bitnog okvira podataka brzinom od 31. 25 k. Bita/s (nema potvrde prijema, pa niti detekcije pogreške). • Nakon oduzimanja start i stop bita ostaje 8 -bitni podatak kome MSB govori da li je riječ o status ili podatkovnom bajtu. • Poruku sačinjavaju jedan, dva, najčešće tri bajta, dok neke mogu imati neograničen broj bajtova. STATUS PODATAK 1 PODATAK 2 … PODATAK X … EOF 1 tttnnnn 0 xxxxxxx … 11110111 • Pritiskom tipke srednjeg C generira se poruka: NOTA ON 9 n 90(h) poruka 144 kk vv 3 C(h) 40(h) 60 64 vrijeme MIDI OUT MIDI IN

MIDI protokol • Protokol se sastoji od jednosmjernog asinkronog slanja 10 -bitnog okvira podataka brzinom od 31. 25 k. Bita/s (nema potvrde prijema, pa niti detekcije pogreške). • Nakon oduzimanja start i stop bita ostaje 8 -bitni podatak kome MSB govori da li je riječ o status ili podatkovnom bajtu. • Poruku sačinjavaju jedan, dva, najčešće tri bajta, dok neke mogu imati neograničen broj bajtova. STATUS PODATAK 1 PODATAK 2 … PODATAK X … EOF 1 tttnnnn 0 xxxxxxx … 11110111 • Otpuštanjem te iste tipke generira se druga poruka: NOTA OFF 8 n kk 80(h) 3 C(h) poruka 128 60 vv 33(h) 51 vrijeme MIDI OUT MIDI IN

MIDI protokol • Kad MIDI uređaj primi novu poruku slijedi izvršenje te naredbe. • Ako se primi novi status, bajt uređaj prelazi u odgovarajuće stanje prijema nove poruke, bez obzira što nisu stigli svi podaci prijašnje poruke, ona se neće izvesti, i ti podaci će se ignorirati. • Jedino sistemske poruke u realnom vremenu mogu biti umetnute unutar drugih poruka, a da ne utječu na izvođenje te poruke. • Kod sviranja akorda, zbog serijskog slanja podataka poruke se šalju jedna za drugom što dovodi do vremenskog pomaka, a pogotovo kada su umetnute između njih druge poruke. • Za smanjenje kašnjenja koristi se RUNNING STATUS tehnika. 94(h) 3 C(h) 44(h) 94(h) 40(h) 94(h) 43(h) 3 E(h) NOTE ON nota C brzina NOTE ON nota E brzina NOTE ON nota G brzina status Pod 1 pod 2 status pod 1 Pod 2 Vrijeme 94(h) 3 C(h) 44(h) 40(h) 43(h) 3 E(h) NOTE ON nota C brzina nota E brzina nota G brzina status Pod 1 pod 2 pod 1 Pod 2 Vrijeme

MIDI podatkovni format • Standardni MIDI podatkovni format sadrži MIDI poruke, te druge podatke potrebni sekvenceru ili drugom uređaju u MIDI lancu. • Dionice pojedinih “instrumenta” (staze), vremenu, podatke o tempu, tekstovi, informacije sekveneru, itd. su u ASCII format osim par pojedinih tipova koji se spremaju binarno. • Podaci se spremaju u dijelove, CHUNKS, grupa bajtova predvođen ID-om i veličinom, koji dalje može biti dijeljen, učitan… • SMF je fleksibilan, pojedini sekvenceri spremaju svoje “dodatke” tako da ne “zbunjuju” druge sekvencere, koji te podatke ne razumiju te ih ignoriraju, zaobiđu ih kao nepotrebne. • SMF format može biti proširivan kako bi uključivao nove službene dijelove koje svi sekvenceri i sekvencer programi mogu učitavati i koristiti. • Format je dizajniran da bude proširivan, te i dalje kompatibilan sa starijim verzijama kako sekvencerima, sekvencer programima, tako i podacima. • SMF podatke mogu koristiti i drugi MIDI uređaji i programi, a ne samo sekvencer programi i sekvenceri.

MIDI poruke • MIDI uređaji komuniciraju porukama bilo da se radi o muzici ili se šalju komande sistemu i svim porukama prvi bajt je status bajt. • Za bilo kakvu akciju generira se adekvatna poruka. MIDI poruke KANALNE PORUKE CHANNEL MESSAGE CHANNEL VOICE MESSAGE CHANNEL MODE MESSAGE SISTEMSKE PORUKE SYSTEM MESSAGE SYSTEM COMMON MESSAGE SYSTEM REAL TIME MESSAGE NOTE ON MTC QUARTER FRAME TIMING CLOCK NOTE OFF SONG SELECTSONG POSITION POINTER START POLIFONIC KEY PRESSURE TUNE REQUEST CONTINUE POLIFONIC CHANNEL PRESSURE END OF EXCLUSIVE (EOX) STOP PITCH BEND CHANGE ACTIVE SENSING PROGRAM CHANGE SYSTEM RESET CONTROL CHANGE SYSTEM EXCLUSIVE MESSAGE

MIDI kanali i staze • MIDI poruke kanalnog karaktera odnose se na pojedini MIDI kanal, imamo 16 MIDI kanala, poruke svih kanala se prenose preko jednog MIDI kabla što daje 16 nezavisnih kontrola. – Klavijature tipično šalju poruke na jednom, ali mogu i na više kanala, – Sekvencer šalje poruke na jedan, pojedini ili sve kanale, – Zvukovni modul prima poruke na različitim kanalima. • pojmovi POLIFONIJA, MULTITIMBRALNOST, PROGRAMI • KANALI / STAZE

General MIDI • Različiti proizvođači su definirali različite postavke za pojedine programe instrumenta ili parametre – podaci s sintesajzera jednog proizvođača koriste se na sintesajzeru drugog proizvođača te se ne dobije ništa smisleno. • GM definira: zvukovne postavke (General MIDI Sound Set) mapu udaraljki (General MIDI Percussion Map) izvedbene sposobnosti (General MIDI Performance) • MIDI kanali 1÷ 9, te 11÷ 16 služe za kromatske instrumente, dok kanal 10 je rezerviran za perkusijske zvukove, udaraljke. • 128 zvukova različitih instrumenta grupiranih u 16 porodica sa 8 karakterističnih instrumenta, nazvana po toj karakteristici. • 46 različitih zvukova akromatskih udaraljki, na kanalu 10. • Dodjeljivanje brojeva tonovima, notama – srednji C MIDI note broj 60 (a ne 72 ili 48); A 440 MIDI note broj 69. • GM modul mora biti sposoban svirati polifoniju od 24 nota. • Neki parametri moraju biti postavljeni nakon uključenja GM modula (glasnoća na 90, kontroleri i efekti isključeni, naštiman na A 440 referencu).

Par riječi o uređajima MIDI lanca • MIDI kontroler Osim klavijatura – elektron. bubnjeve, puhačka i gudačka glazbala… Mikrofonom ili magnetima akustički signal pretvara se u električni analogni, pa u digitalni kod koji predstavlja NOTE ON poruku kad se počne svirati, tj. NOTE OFF kada se prestane svirati. Ostali podaci koji se generiraju i šalju od strane modula su brzina (jačina), promjena zvuka instrumenta (program, zakrpa) i dr. Neki kontroleri mogu slati osim MIDI podataka i audio signale jer imaju ugrađen zvukovni modul u sebi. • Sekvencer (SEQUENCER) “MAŠINERIJA” koja svira muzičke skladbe – govori uređajima koji proizvode zvuk što i kada da sviraju. “Sekvencer je MIDI sistemu isto što i notni papir muzičaru”. Specijalna baza podataka u kojoj su organizirani i spremljeni MIDI podaci. Daje kompozitoru, aranžeru skoro neograničenu kontrolu nad skoro svakim aspektom glazbe – od glasnoće i trajanja do transpozicije i ritmičke varijacije – vrlo korisno za KARAOKE SHOW.

Par riječi o uređajima MIDI lanca • Sekvencer – nastavak Dva osnovna tipa: sklopovske i programske sekvencere. Sklopovski sekvenceri realizirani su kao vanjski modul ili integriran u klavijature, dok za programski potrebno je računalo – fleksibilniji. Kontrolu nad tempom – ubrzati ili usporiti izvedbu, a da se visina i zvuk pjesme ne promjeni – snimiti jednom, a reproducirati drugom brzinom. Vremenski obilježavaju MIDI podatke brojem impulsa po četvrtinki, ima više rezolucija 96; 192; 240; 384 PPQN. Mogućnost lake obrade izvedbe, ispravljanja greške; na notnom nivou. Lak unos podataka unošenjem nota i drugih podataka (jačina, vibrato, legato…) ručnim putem kliktajući mišem po notnom crtovlju. SNIMANJE / REPRODUKCIJA / RAČUNALO Primjeri programskih sekvencera: Cake. Walk, Cubase, Logic, Mark of the Unicorn, a najjednostavniji i najrasprostranjeniji je Windows Media Player – nema mogućnost snimanja i obrade – MIDI player. Za uzorkovanje muzike je najbitnije vremenska točnost i rezolucija.

Par riječi o uređajima MIDI lanca • Sintesajzer (SYNTHESISER) Koristi oscilatore za proizvodnju zvuka, te tipkama na klavijaturi utječemo na parametar oscilatora za generiranje visine tona. Raznim oscilatorima nožemo utijecati na razne parametre glavnog oscilatora za dobivanje raznih zvučnih efekata – valnog oblika tona. VCA, VCO, VCF – analogni sustavi!!!! Ima više glavnih oscilatora za sviranje akorda - postizanje polifonije Jako pogodni za kreiranje umjetnog zvuka, koji ne sliči zvuku nikakvog akustičnog instrumenta. • Sempler (SAMPLER) DAC-ove za proizvodnju zvuka, digitalna vrijednost predstavlja podatak valnog oblika analognog signala zvuka nekog instrumenta. Zvukovi svih instrumenata se nalaze spremljeni u memoriji tablično. WAVE TABLE – govori o polifoniji i multitimbralnosti uređaja. Visina tona se dobiva brzinom dovođenja podataka DAC-u (brže-više). Bolji u reproduciranju zvukova pravih instrumenata jer koristi podatke uzorka valnih oblika pravih akustičnih instrumenata.

Par riječi o uređajima MIDI lanca • Zvukovni modul (SOUND MODUL) Uređaj ili dio uređaja u kome su pohranjeni zvukovi GM standarda. “Crna kutija” sa zvukovima instrumenata. Zadnji je u MIDI lancu koji je upravljan MIDI porukama. Predstavlja sučelje, međusklop između MIDI sustava koji je digitalnog karaktera i audio sustava koji je analognog karaktera. Ne može ga se dovesti u kontekst sa DAC-om jer ne pretvara digitalne podatke u analogni signal, već MIDI porukama, digitalnog oblika, generira signale valnih oblika zvukova instrumenata koji su analogni. Predstavlja malo i ograničeno računalo – generiranje što vjernijih valnih oblika zadanih zvukova različitim metodama. Dvije najčešće korištene metode sintetizacije su: digitalna frekvencijska modulacija i zvukovna tablica (WAVTABLE). Zvukovni moduli su dalje spojeni u audio lanac na miksete, ekvilajzere, pojačala, ali mogu u sebi imati integrirana pojačala, pa čak i zvučnike. Tehnike generiranja zvuka: GENERIRANJE PETLJE I ANVELOPE, DULJINA PETLJE, ZVUKOVI JEDNOG UDARCA, DIGITALNA FILTRACIJA, OSCILATOR NISKIH FREKVENCIJA ZA VIBRATO I TREMOLO, POMAK VISINE TONA, INTERPOLACIJA i druge.

MIDI protokol u nemuzičkim sustavima • Za izvedbe osim muzičke opreme koriste se i ne muzička oprema (uređaji za reprodukciju i snimanje, svijetla, dim, i ostali efekti). • Upravljanje s jednog mjesta, jedan uređaj – kontroler, računalo ili sekvencer za potpuno automatiziranu operaciju. • Potprotokol, posebne specijalne, specifične MIDI sistemske ekskluzivne poruke (Sys. Ex Message). • MMC – MIDI Machine Control – Specijalno dizajniran za daljinsko kontroliranje i upravljanje sistema za snimanje i reprodukciju kao što su hard-disk uređaji, uređaji sa trakom (kazetofoni, magnetofoni, videorekorderi) • MSC – MIDI Show Control – Za upravljanje uređaja svijetla, dima, pirotehnike, te ostalih efekata. – Jedinstveni ID za upravljanje, te slanje poruke natrag kontroleru. – MSC definira nekoliko kategorija uređaja ovisno o vrsti efekta (OSVJETLJENJE – reflektori, laseri, strobo, pokretna svijetla, … PIRO – vatromet, eksplozije, plameni, …)

ZAKLJUČAK • MIDI – Musical Instrument Digital Interface je standard kojim se definiraju sklopovski parametri kao što to je duljina kabla, konektori, međusklop, tj. način zaključivanja i izoliranja, signale, način komunikacije kako bi se izbjeglo zatvaranje strujnih petlji zbog razlika potencijala MIDI uređaja spojenih u lancu i tako se generirale smetnje. • MIDI standard je vrlo sličan RS-232 standardu, ali opet jako različit. • Moćan je alat za kompozitore i učitelje jer dozvoljava muzičarima da budu još kreativniji na samom koncertu ili u studiju omogućujući kompozitorima da pišu muziku koji niti jedan čovjek uz pomoć ikakvog instrumenta ne bi mogao proizvesti. • Također je vrlo je pogodan za računalne aplikacije koje proizvode zvuk, kao što su multimedijske prezentacije ili računalne igre. • Spajanjem MIDI uređaja u različite strukture, te uz pomoć kreativnosti otvaraju se velike mogućnosti u komponiranju i sviranju, a pogotovo spajanjem računala u MIDI lanac.

ZAKLJUČAK - nastavak • Vidjeli smo da komunikacija među uređajima, protokol obavlja se porukama koje su ASCII formata – kablom ne prenosimo audio analogne signale već digitalne podatke. • MIDI poruke imaju jednostavnu strukturu, format, koju sačinjavaju STATUS bajt, bajtovi PODATAKA kojih ne mora biti, može biti jedan, dva ili više. • Koristeći RUNNING STATUS tehniku reducira se količina poslanih poruka te se znatno smanjuje vremenski pomak koji nastaje kada se pritisne više tipki odjednom (odsvira se akord), zbog serijske komunikacije podataka MIDI sustavom. • Velika odlika SMF-a je fleksibilnost – može biti poboljšan, a opet dalje kompatibilan prema starijim verzijama. • General MIDI standard je riješio velike probleme nekompatibilnosti između uređaja različitih proizvođača. • Osim u muzičkim sustavima MIDI standard se može koristiti i u nemuzičkim sustavima za upravljanje uređaja za snimanje i reprodukciju zvuka, te za upravljanje uređaja svijetlosti ili ostalih efekata

Primjeri: • Primjeri MIDI datoteka: – HEY YOU – Pink Floyd – HOTEL CALIFORNIA – Eagles – IN THE MOOD – OO – JUMP –Van Halen – NEW YORK, NEW YORK – Frank Sinatra – COME TOGETHER – John Lennon – KLASIKA 1 – KLASIKA 2 – APLAUZ • Primjeri programa – MIDI assembler/disassembler