Java MIDI 音乐编程入门 + 基础乐理知识 for programmers
本帖最后由 hans7 于 2023-11-20 23:53 编辑## 基础乐理知识
### 简谱阅读入门
下面以《上学歌》为例讲解简谱的阅读方式和相关的乐理知识。
上图只有高音部分，因此还需要[参考链接1](https://tv.sohu.com/v/dXMvMzM1OTQyMjA2LzE0Nzk5Nzk3Ni5zaHRtbA==.html)补充低音部分。
左上角的分数是拍号（节拍符号），分母表示多少个音节为一拍，分子表示一小节多少拍。
左上角的`🎶 = 112`表示一分钟112拍，对应代码里的`bpm`（beats per minute）。据此可以计算出每个音符的演奏时间，不过实际演奏中并不需要这么做。
左上角的`1 = C`表示这首歌的**调式**为C自然大调。调式确定了歌曲的音域范围。在钢琴键盘中，音名`C3`被称为中央C，因为它位于钢琴键盘的中间。C自然大调的含义就是升0个八度的唱名`do`对应`C3`，由此可推出升1个八度的唱名`do`对应`C4`，降1个八度的唱名`do`对应`C2`。同理，`1 = D`为D自然大调，升0个八度的唱名`do`对应`D3`，`do up`对应`#D3`，`re`对应`E`等。
例如，《上学歌》为C自然大调，`bpm = 112`，4音节一拍，一小节2拍。
上面提到了`#D3`，这是什么音名？首先我们需要引入半音和全音的概念。在钢琴白键中`E, F`、`B, C`没有黑键隔开，是半音关系；其他的都有黑键隔开，是全音关系。理解半音和全音的概念后，就可以讲黑键的音名了。`#D3`就是`D3`右侧的黑键，称为升`D3`。因为它也在`E3`的左侧，所以也可以称为降`E3`，记为`b E3`。例如，在《菊次郎的夏天》简谱（其简谱图在下文《菊次郎的夏天Demo》一节）第十一节有一个音`#4`，它表示`fa up`。
上面还提到了“八度”，那什么是八度？**音程**是两个音之间的距离，单位是“度”。在钢琴键盘上，有多少白键就是多少度。比如`C3`到`A3`为6度，`C3`到`B3`为7度，`C3`到`C4`为8度。对于升降音，需要先还原到白键才能确定音程。比如`#C3`到`A3`为6度。
接下来看《上学歌》的第一节。`1 2`和`3 1`有下划线，表示这一节的两拍，因此每个音符占0.5拍。第二节的`5.`表示附点四分音符，占1.5拍，随后紧跟的0是八分休止符，占0.5拍。第三节的1上面有一个点，表示这个`do`需要高1个八度。第五节的`1.`有1条下划线，`0`有两条下划线，这表示`1.`是附点八分音符，需要高一个八度，占0.75拍，休止符占0.25拍。
### 五线谱阅读入门
下面以《qq堂抢包子》为例讲解五线谱的阅读方式。
《qq堂抢包子bgm》为C自然大调，`bpm = 140`，4音节一拍，一小节4拍。
我们将五线谱的五条线从下到上分别命名为第一线到第五线，线与线之间从下到上分别命名为第一间到第四间。线的下方和上方都可以继续添加线，称为上加一线和下加一线等。怎样快速看出每个音符的音高呢？在高音谱表中有一个口诀：4613。这个口诀是什么含义呢？我们知道曲目常见的调式为C自然大调，所以口诀表示在C自然大调的高音谱表中第一间到第四间的唱法分别为fa、la、do、mi，也就是`F3`、`A3`、`C4`、`E4`。
五线谱每一行最左侧的符号为高音谱号，对应的符号还有中音谱号、低音谱号等。高音谱表和低音谱表的谱线表示的音高不同。简单来说，高音谱表和低音谱表是轴对称的，高音谱表的下加一线和低音谱表的上加一线都表示`C3`，也就是钢琴的中央C。据此有推论，C2在低音谱的第二间，C4在高音谱表的第三间。这时你可能会有疑问，为什么要引入高音谱号和低音谱号呢？简单点不好嘛？原因很简单，一首钢琴曲往往有低音部分（一般左手弹）和高音部分（一般右手弹），如果只使用高音谱表，那么低音部分很可能需要在下方加不少线，这就不方便了。
该曲的第一个音符是四分音符，占一拍。第二个音符是两个八分音符，各占二分之一拍。所以总体上第一节有4拍。第二节的最后一个空心的音符是二分音符，在上加一线所以是`A4`。第八节有一条连音线，表示`C4`要演奏`0.5 + 2 = 2.5`拍。第十五节的井号跟着的音符表示要升半音，因此是`fa up`，后面还跟着一个点表示这个音符是附点四分音符，要演奏1.5拍。第十五节的最后一个音符是一个八分音符。所以总体上第十五节同样有4拍。第十六节有一个`gliss`符号表示这个音要刮奏，从`G5`刮到`G3`，总共占2拍，因此在代码中这里每个音符要演奏`1 / 7`拍。
## 上学歌Demo
[代码传送门](https://github.com/Hans774882968/java-midi-demo/blob/main/src/%E4%B8%8A%E5%AD%A6%E6%AD%8CDemo.java)
简单讲下代码结构：
1. main函数的模板基本上不变。
2. `MyNoteImpl myNoteImpl = new MyNoteImpl(MyNote.Major.C);`设置调式为C自然大调。
3. `player.setTempoInBPM(112);`设置`bpm = 112`。
4. `上学歌left`和`上学歌right`分别处理低音和高音部分。对于里面的`addNote`调用，我们基本上只需要关注第3个参数和最后两个参数：第3个参数的`myNoteImpl.getDo(-1)`表示`do`低1个八度。倒数第二个参数表示这个音演奏多少拍。最后一个参数在顿音中设置为`tick + 该音播放时间 / 4`即可，在非顿音中设置为`tick + length`即可。
## 这世界那么多人Demo
[代码传送门](https://github.com/Hans774882968/java-midi-demo/blob/main/src/这世界那么多人Demo.java)
1. 这首曲子难度不高，我自己用它来检验我对乐理知识的理解的正确性。如果对节拍的理解正确，那么你会发现歌曲的第一部分演奏完的时间是2分10秒左右。
2. 上面的简谱没有体现，从其他渠道查到`bpm = 72`。
## qq堂抢包子Demo
[代码传送门](https://github.com/Hans774882968/java-midi-demo/blob/main/src/qq堂抢包子Demo.java)
所需的乐理知识在上文已经讲解完毕，代码结构也与“上学歌Demo”一致，在此不赘述。
## qq堂推箱子Demo
[代码传送门](https://github.com/Hans774882968/java-midi-demo/blob/main/src/qq堂推箱子Demo.java)
1. 第一节的第一个音符是八分休止符，占0.5拍。
2. 第一节的第二个音符共占0.5拍，第四个音符的3个音分别占0.5、0.25、0.25拍。
3. 第十三节的“♭”是临时降半音符号，按照惯例，其作用范围是当前小节的所有相同音。因此当前节总共有`3 + 1 = 4`个符号需要降半音。这个结论在视频中得到了验证，这一节总共按了4下黑键。
4. 代码结构与《qq堂抢包子Demo》一致，不赘述。
## 菊次郎的夏天Demo
[代码传送门](https://github.com/Hans774882968/java-midi-demo/blob/main/src/%E8%8F%8A%E6%AC%A1%E9%83%8E%E7%9A%84%E5%A4%8F%E5%A4%A9Demo.java)
这首曲子是最难的，因此放到本文的最后一节来实现。
1. 顿音符号：可以看到该曲简谱有不少空心倒三角，这就是顿音符号。在代码中，我们传入`endTick = tick + 该音播放时间 / 4`来表示顿音。
2. 延音符号：第五节的圆弧是延音符号，表示需要延长`do`的演奏时间，但颜色为灰色，所以最终视为和休止符效果相同。
3. 和五线谱同理，按照惯例，第十一节的每个4都应该升半音。
4. 可以看到右手出现了需要三个手指同时按键的现象，为此我引入了`菊次郎的夏天right2, 菊次郎的夏天right3`方法。
5. 代码引入了`AddNoteParams`类，这是为了能够引入以小节为单位的二维数组，从而更方便地实现仅播放某一个片段。这个想法再扩展一下，就是引入一个DSL来描述一首曲子。因为我写这篇blog的目标是检验自己对乐理知识的理解的正确性，所以就只做到硬编码这一步了。
## 总结
一个之前没想到过的视角：乐理知识是一种可以用代码进行验证的技术。
## 参考资料
1. [《上学歌》高音和低音部分简谱](https://tv.sohu.com/v/dXMvMzM1OTQyMjA2LzE0Nzk5Nzk3Ni5zaHRtbA==.html)
2. 乐理入门教程：https://b23.tv/cPsBkTn DEATHTOUCH 发表于 2023-11-18 18:52
MIDI这块本身不是特别复杂，难的是各种合成器还有效果器的DSP算法。
{:1_921:} 分析的很正点，99年的时候，在 386 上用 QBasic 写过一个类似的东西，不过做了简单抽象，就是播放器是播放器程序，读取指定扩展名的（好像当时定义为 .SON 的文件)，然后，就照着简谱写 son 文件内容，再用播放器程序读取，播放，电脑上的 PC 喇叭就滴滴嗒嗒地播放了，当时还是挺有成就感的。
后来接触到了声卡、转波表，零几年吧，所谓的多媒体电脑，用 YAMAHA 声卡加载软波表，播放 midi 文件，感觉真的是太爽了。再后来才知道 DSP 合成器这些概念。
讲真，其实 midi + 好的算法和波表音源，我觉得才是真正的无损音质，绝对音准，缺点也计就是缺少点灵魂，毕竟人的演奏才有灵魂。
一已之见，见笑。 MIDI这块本身不是特别复杂，难的是各种合成器还有效果器的DSP算法。 简单来说无论是五线谱还是简谱 想要通过程序模拟出音阶除了要考虑八度外还要考虑音长甚至是渐强渐弱的模拟剩下的交给算法
一般人真的很难去学习乐理知识 这太难了。。 本帖最后由 iocz 于 2023-11-18 17:58 编辑
应该用类似JSON之类文件来描述五线谱，然后用一份代码来进行解析，你这样代码和数据搅合在一起，维护性很差。当然现成的文件格式就有，就是MID文件。 java也能干音乐的活，太牛了 感谢分享！ 音乐的难点在于乐器的好坏，好的乐器音质和差的差别明显 很好的音乐知识