跨平台MIDI接口开发与节拍器实现

### 跨平台 MIDI 接口开发与节拍器实现 #### 1. 与 CoreMIDI 交互 Apple 的 CoreMIDI 子系统与 Windows 多媒体 API 有所不同。多媒体 API 主要用于播放音乐，而 CoreMIDI 主要作为 MIDI 路由系统。代码会尝试自动连接到 MIDI 输出，但除非有接受并播放 MIDI 流的程序打开，否则无论发送什么 MIDI 消息都听不到声音。不过，也可以使用 Apple 内置的音频库来实现类似 Windows 的功能，比如实例化一个可下载声音（DLS）合成器并直接向其发送 MIDI 消息。为了简化代码，这里依赖第三方应用将 MIDI 消息转换为声音。 Pete Yandell 的 SimpleSynth 是一个基于 DLS 合成器的免费应用，可从 [http://pete.yandell.com/software/](http://pete.yandell.com/software/) 下载。运行 SimpleSynth 后，Ruby 代码会自动连接并使用它进行播放。 在代码中，需要导入比 Windows 示例更多的函数，因为要额外做一些工作来自动连接到可用的 MIDI 目标（这里由 SimpleSynth 提供）。以下是相关代码： ```ruby class LiveMIDI module C extend DL::Importable dlload '/System/Library/Frameworks/CoreMIDI.framework/Versions/Current/CoreMIDI' extern "int MIDIClientCreate(void *, void *, void *, void *)" extern "int MIDIClientDispose(void *)" extern "int MIDIGetNumberOfDestinations()" extern "void * MIDIGetDestination(int)" extern "int MIDIOutputPortCreate(void *, void *, void *)" extern "void * MIDIPacketListInit(void *)" extern "void * MIDIPacketListAdd(void *, int, void *, int, int, int, void *)" extern "int MIDISend(void *, void *, void *)" end end ``` 这里有连接和断开 MIDI 子系统的方法，还有选择目标端口、创建输出端口、构建 MIDI 数据包结构以及发送 MIDI 消息的方法。 但 `MIDIClientCreate` 函数需要一个特殊的 CoreFoundation 字符串作为名称参数，而不是普通的 C 字符串。因此，在 `LiveMIDI` 类中添加一个名为 `CF` 的模块来包含所需的 CoreFoundation 函数： ```ruby class LiveMIDI module CF extend DL::Importable dlload '/System/Library/Frameworks/CoreFoundation.framework/Versions/Current/CoreFoundation' extern "void * CFStringCreateWithCString (void *, char *, int)" end end ``` 该函数的第一个参数是 CoreFoundation 分配器（传入 null 会使用默认分配器），接着是 C 字符串，最后是描述字符串编码的整数（这里使用 0）。 以下是 `LiveMIDI` 类的初始化方法： ```ruby class NoMIDIDestinations < Exception; end class LiveMIDI def open client_name = CF.cFStringCreateWithCString(nil, "RubyMIDI", 0) @client = DL::PtrData.new(nil) C.mIDIClientCreate(client_name, nil, nil, @client.ref); port_name = CF.cFStringCreateWithCString(nil, "Output", 0) @outport = DL::PtrData.new(nil) C.mIDIOutputPortCreate(@client, port_name, @outport.ref); num = C.mIDIGetNumberOfDestinations() raise NoMIDIDestinations if num < 1 @destination = C.mIDIGetDestination(0) end end ``` `MIDIClientCreate` 函数在 Ruby DL 中会被转换为 `mIDIClientCreate`，这是因为 Ruby DL 会将函数名的首字母小写以符合 Ruby 方法的命名规范。 关闭方法很简单，因为 CoreMIDI 在客户端关闭时会自动关闭端口： ```ruby class LiveMIDI def close C.mIDIClientDispose(@client) end end ``` 消息发送方法如下： ```ruby class LiveMIDI def message(*args) format = "C" * args.size bytes = args.pack(format).to_ptr packet_list = DL.malloc(256) packet_ptr = C.mIDIPacketListInit(packet_list) # Pass in two 32 bit 0s for the 64 bit time packet_ptr = C.mIDIPacketListAdd(packet_list, 256, packet_ptr, 0, 0, args.size, bytes) C.mIDISend(@outport, @destination, packet_list) end end ``` 这里使用 `pack` 方法将参数编码为字节字符串，`C` 表示将数据编码为 8 位字符。 以下是测试代码： ```ruby midi = LiveMIDI.new midi.note_on(0, 60, 100) sleep(1) midi.note_off(0, 60) sleep(1) midi.program_change(1, 40) midi.note_on(1, 60, 100) sleep(1) midi.note_off(1, 60) ``` #### 2. 与 ALSA 交互 ALSA 提供了多种对 MIDI 事件进行排序的方式，包括一个类似于 CoreMIDI 的高级 API（序列器 API）和一个类似于 Windows 多媒体系统 API 的低级 API（原始 API）。由于高级 API 使用了复杂的 C 结构体和宏函数，不适合 Ruby DL，因此使用原始 API 的特殊功能来实现 MIDI 路由。 以下是相关代码： ```ruby class LiveMIDI module C extend DL::Importable dlload 'libasound.so' extern "int snd_rawmidi_open(void*, void*, char*, int)" extern "int snd_rawmidi_close(void*)" extern "int snd_rawmidi_write(void*, void*, int)" extern "int snd_rawmidi_drain(void*)" end end ``` 需要注意的是，Linux 发行版可能没有将 `libasound.so` 链接到实际运行的版本，此时需要修改 `dlload` 行以指定确切的版本或动态库的完整路径。 初始化和关闭方法如下： ```ruby class LiveMIDI def open @output = DL::PtrData.new(nil) C.snd_rawmidi_open(nil, @output.ref, "virtual", 0) end def close C.snd_rawmidi_close(@output) end end ``` 传入 `"virtual"` 告诉 ALSA 创建一个序列器端点。 消息发送方法： ```ruby class LiveMIDI def message(*args) format = "C" * args.size bytes = args.pack(format).to_ptr C.snd_rawmidi_write(@output, bytes, args.size) C.snd_rawmidi_drain(@output) end end ``` 同样使用 `pack` 方法获取要写入的字节，并调用 `snd_rawmidi_drain` 刷新消息。 在 Linux 上测试需要一些辅助操作： 1. 安装 TiMidity：从发行版的包管理器中安装 TiMidity。 2. 运行 TiMidity：使用 `timidity –iA –B2,8 -Os` 命令运行，`-i` 表示从 ALSA 序列器读取输入，`-B` 调整缓冲区以防止卡顿，`-Os` 表示通过 ALSA 输出音频。 3. 手动连接端口：可以使用 `qjackctl` 或 `aconnect` 命令行工具将 Ruby LiveMIDI 对象的输出端口连接到 TiMidity 的输入端口。 以下是测试代码： ```ruby midi = LiveMIDI.new # Wait for user to connect sleep(8) midi.note_on(0, 60, 100) sleep(1) midi.note_off(0, 60) sleep(1) midi.program_change(1, 40) midi.note_on(1, 60, 100) sleep(1) midi.note_off(1, 60) puts "Done" ``` #### 3. 构建节拍器 节拍器是一个很棒的工具，可帮助培养内在的节奏感知。在实现节拍器之前，先了解一些定义： - **Bang**：定期调度的动作。 - **Interval**：两次 Bang 之间的时间间隔。 在音乐中，节奏通常用每分钟节拍数（BPM）表示，这里使用每分钟 Bang 数（Bangs per minute）。例如，想要每分钟 120 个四分音符节拍并使用十六分音符，就需要每分钟 480 个 Bang，间隔为 60 秒除以 Bang 数。 由于 Ruby 在精确计时方面表现不佳，为了实现合理的睡眠/唤醒计时，使用 `Timer` 类。`Timer` 类的初始化需要一个分辨率，该分辨率应远小于要测量的最小时间单位。 以下是 `Timer` 类的实现： ```ruby class Timer def initialize(resolution) @resolution = resolution @queue = [] Thread.new do while true dispatch sleep(@resolution) end end end private def dispatch now = Time.now.to_f ready, @queue = @queue.partition{|time, proc| time <= now } ready.each {|time, proc| proc.call(time) } end public def at(time, &block) time = time.to_f if time.kind_of?(Time) @queue.push [time, block] end end ``` `Timer` 类的线程会不断调用 `dispatch` 方法检查是否有预定事件需要执行，并在每次检查后休眠指定的分辨率时间。 以下是节拍器的实现： ```ruby class Metronome def initialize(bpm) @midi = LiveMIDI.new @midi.program_change(0, 115) @interval = 60.0 / bpm @timer = Timer.new(@interval/10) now = Time.now.to_f register_next_bang(now) end def register_next_bang(time) @timer.at(time) do now = Time.now.to_f register_next_bang(now + @interval) bang end end def bang @midi.note_on(0, 84, 100) sleep(0.1) @midi.note_off(0, 84, 100) end end ``` 使用以下代码测试节拍器： ```ruby m = Metronome.new(60) # Sleep here to keep the program running sleep(10) ``` #### 4. 修复定时器漂移问题 由于定时器的实现方式，可能会出现回调延迟的情况，导致节拍器逐渐滞后。为了解决这个问题，修改 `register_next_bang` 方法，使用回调传入的时间作为基准： ```ruby class Metronome def register_next_bang(time) @timer.at(time) do |this_time| register_next_bang(this_time + @interval) bang end end end ``` #### 5. 编写播放方法 为了更方便地管理音符的开启和关闭时间，在 `LiveMIDI` 类中添加 `play` 方法。`play` 方法需要一个额外的持续时间参数，并使用 `Timer` 类来调度音符的开启和关闭。 以下是 `LiveMIDI` 类的修改： ```ruby class LiveMIDI attr_reader :interval def initialize(bpm=120) @interval = 60.0 / bpm @timer = Timer.new(@interval/10) open end def play(channel, note, duration, velocity=100, time=nil) on_time = time || Time.now.to_f @timer.at(on_time) { note_on(channel, note, velocity) } off_time = on_time + duration @timer.at(off_time) { note_off(channel, note, velocity) } end end ``` 修改后的节拍器类如下： ```ruby class Metronome def initialize(bpm) @midi = LiveMIDI.new(bpm) @midi.program_change(0, 115) @interval = 60.0 / bpm @timer = Timer.new(@interval/10) now = Time.now.to_f register_next_bang(now) end def bang @midi.play(0, 84, 0.1, Time.now.to_f + 0.2) end end ``` 通过以上步骤，我们实现了跨平台的 MIDI 接口开发，并构建了一个简单的节拍器，同时解决了定时器漂移问题，还添加了方便的播放方法。 ### 跨平台 MIDI 接口开发与节拍器实现 #### 6. 跨平台 MIDI 接口开发总结与对比 在前面的内容中，我们分别介绍了在不同操作系统下与 MIDI 系统进行交互的方法，下面对这些方法进行总结和对比，以便更好地理解和选择适合的实现方式。 | 操作系统 | 相关 API | 特点 | 注意事项 | | --- | --- | --- | --- | | macOS | CoreMIDI | 主要作为 MIDI 路由系统，依赖第三方应用将 MIDI 消息转换为声音，需要使用 CoreFoundation 字符串 | 需下载并运行 SimpleSynth 应用，注意函数名在 Ruby DL 中的转换 | | Linux | ALSA（原始 API） | 提供了类似 Windows 多媒体系统 API 的低级接口，可创建序列器端点 | 可能需要修改 `dlload` 行指定动态库版本或完整路径，需手动连接端口 | | Windows | 未详细提及，但有对比 | 多媒体 API 主要用于播放音乐 | - | 通过这个表格，我们可以清晰地看到不同操作系统下 MIDI 接口开发的特点和需要注意的地方。 下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示了在不同操作系统下开发 MIDI 接口的大致流程： ```mermaid graph LR A[选择操作系统] --> B{macOS} A --> C{Linux} A --> D{Windows} B --> E[导入 CoreMIDI 函数] B --> F[创建 CoreFoundation 字符串] B --> G[连接 SimpleSynth] C --> H[导入 ALSA 原始 API 函数] C --> I[指定动态库路径] C --> J[手动连接端口] D --> K[使用多媒体 API] ``` #### 7. 节拍器功能扩展与优化思路 虽然我们已经实现了一个基本的节拍器，但在实际应用中，还可以对其进行功能扩展和优化。以下是一些思路： ##### 7.1 增加节拍模式 目前的节拍器只有一种固定的节拍模式，可以增加多种节拍模式，如 2/4、3/4、4/4 等。可以通过在 `Metronome` 类中添加一个参数来指定节拍模式，并根据不同的模式调整 `bang` 方法的逻辑。 ```ruby class Metronome def initialize(bpm, beat_pattern = [1, 0, 0, 0]) @midi = LiveMIDI.new(bpm) @midi.program_change(0, 115) @interval = 60.0 / bpm @timer = Timer.new(@interval/10) @beat_pattern = beat_pattern @current_beat = 0 now = Time.now.to_f register_next_bang(now) end def register_next_bang(time) @timer.at(time) do |this_time| register_next_bang(this_time + @interval) bang if @beat_pattern[@current_beat] == 1 @current_beat = (@current_beat + 1) % @beat_pattern.size end end def bang @midi.play(0, 84, 0.1, Time.now.to_f + 0.2) end end ``` ##### 7.2 调整音量和音色 可以在 `Metronome` 类中添加方法来调整节拍器的音量和音色。例如，添加一个 `set_volume` 方法和 `set_instrument` 方法。 ```ruby class Metronome def set_volume(volume) @midi.note_on(0, 84, volume) end def set_instrument(instrument) @midi.program_change(0, instrument) end end ``` ##### 7.3 与其他音乐元素结合 可以将节拍器与其他音乐元素结合，如音符序列、和弦等。可以创建一个新的类来管理这些音乐元素，并与节拍器进行同步。 ```ruby class MusicSequence def initialize(midi, bpm) @midi = midi @interval = 60.0 / bpm @timer = Timer.new(@interval/10) end def play_sequence(sequence, start_time) sequence.each_with_index do |note, index| time = start_time + index * @interval @timer.at(time) { @midi.play(0, note, 0.1) } end end end ``` #### 8. 总结与展望 通过本文的介绍，我们实现了跨平台的 MIDI 接口开发，并构建了一个简单的节拍器。在开发过程中，我们了解了不同操作系统下 MIDI 系统的特点和使用方法，掌握了 Ruby 中定时器的实现和使用，以及如何解决定时器漂移问题。 未来，我们可以进一步扩展和优化这些功能，如开发更复杂的音乐应用、实现实时音乐交互等。同时，还可以探索其他编程语言和框架在 MIDI 开发中的应用，以满足不同的需求。 希望本文能为你在 MIDI 开发和音乐编程方面提供一些帮助和启发，让你能够创造出更多有趣的音乐作品。