MIDI信號對虛擬樂器的控制

康健

關鍵詞：MIDI；樂器數字接口；虛擬樂器；MIDI 控制器；MIDI 1.0 規范；MIDI 2.0 規范。

一、MIDI 規范概述

產生于80 年代的“MIDI 1.0 規范”解決了各種設備的兼容問題。1983 年首批搭載“MIDI 1.0 規范”的合成器Prophet 600 和Roland JP-6 發布[1]，標志著正式開啟MIDI 時代。此后，所有的商用電子樂器都配置了5針MIDI 接口。然而，早期的MIDI 1.0 僅解決了傳輸規范問題，音源本身的規范卻未涉及。使用不同廠家的設備播放時，往往會產生混亂的聲音，為了應對該問題，定義音源的MIDI 標準應運而生。

（一）MIDI 標準

目前為止， 常見的MIDI 標準分別為GM、GS、XG。這些標準跨品牌定義了樂器規范，使音樂家能夠在符合規范的不同品牌設備上創作和播放。GS 標準是MIDI 1.0 規范下第一個用于定義音源標準化的方式，隸屬于Roland 公司，因此不具備通用性。1991 年，MIDI制造商協會（MMA）以及日本MIDI 標準化委員會（JMSC）在GS 標準基礎上共同制定了GM1（General MIDI systemLevel1）標準。1994 年，繼GM 之后YAMAHA 公司又推出XG（Extended General MIDI）標準，在保持與GM兼容的同時，又增加了許多新功能。

（二）GM 的主要進展

所有標準中，僅GM 來自行業組織，因此具有普遍性和代表性，很多虛擬樂器都是建立在“通用MIDI 標準”上的。GM 發展至今已經產生兩個標準，即GM1 和GM2[2]。

GM1 規定所有設備必須具備24 個同時發聲數，其中包含16 個旋律聲部和8 個打擊樂聲部；至少有16 個能夠同時發送和接收的同步通道；具備128 個標準音色；通道10 為打擊樂器通道，47 種打擊樂器在這個通道上按照固定鍵位排列，每個鍵演奏不同類型的打擊樂器；鍵盤“中央C”的位置被確定為音符60。此外，一些全局參數的編號也在修訂之列，便于標準化定義。

此后數年，隨著硬件的完善和音樂家需求的增長，MIDI 標準也逐漸趨于成熟。1999 年，GM2 標準問世，相比GM1 有很多變化。例如同時發聲數增加到32 個；通道11 被新增為第二鼓通道，即打擊樂具備10/11 兩個通道；在之前128 種標準音色的基礎上擴充為 256 種音色；在錄制MIDI 時，控制信息可以保存下來，并支持設備之間傳輸或重放；注冊參數碼（RPN）和系統專用信息（SysEx）等項目也得到較大擴充。

二、MIDI 信號

（一）MIDI DIN 電器規范

MIDI 1.0 規范中，MIDI DIN 電路使用了當時常見的5V 電路信號。該規范在2014 年進行了更新，更改為3.3V電路信號，并為信號引腳增加了鐵氧體磁珠射頻濾波器，以減少射頻干擾。此外，還為MIDI 插口的接地屏蔽連接器定義了接地規則（見圖1、圖2）。

（二）輸入設備

MIDI 輸入設備泛指可以產生并傳輸用于觸發聲音和演奏MIDI 數據的硬件樂器。這類樂器不具備音色，也不能產生聲音，僅能通過表演者按壓、敲擊、吹打或觸摸等動作產生MIDI 數據，經由MIDI 電纜傳送給兼容MIDI 的聲音模塊或合成器產生聲音。MIDI 輸入設備有多種形式，根據演奏特點和用途分為“通用型”和“專用型”。“MIDI 鍵盤”“MPE 標準控制器”“打擊PAD”均屬于“通用型”控制器。例如，“MIDI 鍵盤”使用推子、旋鈕等傳統方式進行控制，適合任何樂器音色的輸入，但在演奏表現上有一定局限性；基于“MPE標準”的控制器，允許在多通道下控制聲音，實現各種復音變化，使聲音表現更接近原聲樂器；網格式“打擊PAD”控制器，多用于電子類LOOP 采樣觸發，雖然可以輸入和弦、旋律，但不夠直觀（見圖3）。

“MIDI 吹管”“MIDI 吉他”“電子鼓和鼓機”，這些均屬于“專用型”控制器，例如，MIDI 吹管擅長表現管樂類吹奏樂器；MIDI 吉他擅長吉他類的各種技巧，尤其在撥弦感上非常逼真；電子鼓則適合敲擊感和聲音瞬態表現，鼓機適合電子節奏編程。上述控制器在各自所屬的演奏表現范疇和仿真度上優于通用型控制器，這也是它們存在的意義（見圖4）。

MIDI 控制器：用于DAW 實時控制的設備，同樣分為“通用控制器”和“專用控制器”兩類，提供與樂器更多的聯系感和演奏體驗。通用控制器（如MackieControl Universal Pro）被設計用于各種DAW；專用控制器，如Akai APC40 適用于Abletonlive 的控制（見圖5）。

除去MPE 標準控制器和DAW 控制器，上述所有控制器類型在使用上均有限制：

①無法準確模仿特定樂器的演奏技巧。例如通用鍵盤控制器無法滿足弦樂、撥弦、吹管等樂器演奏技巧的表現。

②控制方式一定程度上限制了音樂表達需求。上述控制器仍采用推子、旋鈕、按鍵等物理控制方式，不便于多樂器演奏，以及多種控制器參數表現需求。

③品種繁多的專用控制器不利于現場演奏，用戶需要集控制和演奏于一身、表現更優秀的控制器。那么，符合MPE 標準的控制器是否能滿足要求？

三、MIDI 在DAW 軟件中的工作原理

數字音頻工作站（DAW）是將來自音頻接口的模擬信號轉換為可在計算機上處理的數字信號，并以波形、鋼琴卷簾窗、MIDI 事件窗、五線譜等的形式直觀表現出來，通過操作這些聲音數據完成音樂制作過程。典型的DAW 提供錄制和編輯音頻、播放虛擬樂器、音頻效果處理、混音和母帶處理等基本功能。

一個典型的DAW 制作系統包含計算機、DAW 軟件、輸入設備（MIDI 鍵盤或合成器）。當在輸入設備上演奏時，所有與演奏相關的物理動作都將作為MIDI 信息傳輸到DAW 軟件并記錄下來?；胤潘浿频腗IDI 序列時，DAW 讀取 MIDI 信息并觸發音頻響應。以上過程中，計算機是一個運算平臺，MIDI 信息是演奏動作的簡短數字描述，例如按下琴鍵、轉動旋鈕，所有動作都被編碼為MIDI 信息并經過運算處理。

MIDI 信息包含“通道信息”和“系統信息”兩種類型。

其中，通道信息用于處理演奏相關的動作描述；系統信息用于處理技術功能。在DAW 所記錄的MIDI 信息中，“通道信息”最為復雜，它詳細描述了演奏相關的動作、音符結構、演奏技巧、效果調制以及音色變換、控制改變等信息（見表1）。

演奏動作和音符結構類：

當按下某個琴鍵時，MIDI 輸出端口會發送一個“音符開（Note On）”信息。該信息包括被按下琴鍵的音高信息（音符編碼為0～127，即C-2～G8）、音符所在的MIDI 通道（1～16），以及按下琴鍵的速度、力度（數值范圍為0～127）。

當釋放該琴鍵時會發送“音符關（Note Off）”信息，用于中止音符開信息所觸發的音符。該信息包含離鍵速度、釋放琴鍵時的力度（注：部分MIDI 設備不使用該參數）。此外，“音符開”和“音符關”兩者共同構成音符長度信息，即音符時值。

演奏技巧和效果調制類：

彎音輪允許升高或降低當前演奏音符的音高，產生“彎音（Pitch bend）”信息。該信息通常用于模仿樂器的演奏技巧，如吉他推弦、弦樂的滑音，或者演奏裝飾音等等。為了更精確描述音高變化，彎音的數值范圍為0～16383。其中，0 為中心位置，音高無變化；音高升至最高，彎音數值為+8191；音高降至最低，彎音數值為-8192。

當按下琴鍵并繼續施壓時， 會產生“ 觸后（Aftertouch）”信息（ 部分MIDI 設備不支持觸后），該信息的發送順序位于“音符開”之后。觸后信息通常被分配用來觸發顫音效果，然而根據音色不同，它也可以觸發音量、聲像等參數。

音色變換類：

演奏中音色變換， 產生“ 程序改變（Programchange）”信息，該信息用于改變或分配MIDI 通道中的音色。由于現今合成器所儲存的音色遠超128 種，為了便于組織和分配音色，使用了庫（banks） 的單位概念。即，音色庫包含了多個banks，而每一個banks 最多存放128 種音色，由此擴大了音色庫的容量。為了方便調用這些音色，則需要同時使用“庫選擇信息”和“程序改變信息”。其中，前者視MIDI 設備品牌和型號而定，后者是MIDI 標準信息類型。大多數設備中，都使用CC#0 或CC#32 來進行庫選擇（有時兩者也可能組合使用）。

控制改變類：

MIDI 標準提供了128 個（CC#0～CC#127）標準化控制改變信息（Control change），可以被所有MIDI 設備識別，這類信息允許對MIDI 通道的特定參數進行控制，其數值范圍均為0～127。

DAW 音序中會頻繁使用一些控制參數，如CC#1（調制）、CC#7（通道音量）、CC#10（通道聲像）、CC#11（表情）、CC#64（延音踏板）這些控制器除了能夠極大改善MIDI 模仿原生樂器的演奏效果，也能增強對MIDI 設備控制能力。

在DAW 所記錄的MIDI 信息中，“MIDI 系統信息”相對比較少，以下是最常見的一些信息描述。

傳輸控制：協同輸入設備和DAW 同步工作，如開始播放、停止、錄音等；

時鐘：使輸入設備與主時鐘（DAW）同步；

Sysex：系統專用信息，由設備制造商指定；

MIDI 事件： 上述所有事件的集合，通過數字信息串描述演奏相關的動作或指令。

此外，軟件VSTi（VST instruments）同樣是建立在MID 標準上的虛擬樂器。由于“VST2（軟件接口2.0 技術）”的應用，使得插件能夠接收并處理MIDI 數據，最新規范的VST 已經更新到3.5 版本，其性能差異（見表2）。

很顯然，VST3.0 的處理精度更符合現代制作需求，其性能方面也獲得極大提升，如VST 樂器的音頻輸入、多個 MIDI 輸入/ 輸出、可選 SKI（Steinberg 內核接口）集成。VST 3.5 之后，新增了音符表達（以復音排列的單個音符事件），以提供廣泛的發音信息。提升了演奏靈活性、支持了更自然的演奏感覺[3]。

四、演奏數據在MIDI 1.0 中的控制定義

演奏數據泛指與演奏相關的事件，如譜面相關的音符時值、音高、力度；演奏相關的顫音、表情、延音；演奏控制相關的彎音、觸后、音色、通道，等一系列信息在MIDI1.0 規范中的實現方式。

（一）音高

“音高”可用于定義如下場景：樂器音高控制、演奏法切換、效果音切換、控制功能切換。MIDI1.0 規范中定義了128 個音高編碼，中央C 為60，標準音A440 為69，88 健全尺寸鋼琴鍵盤的音域對應音符為21～108。符合該規范的軟/ 硬件MIDI 樂器音高方面均執行該標準（見圖6）。

音高編碼在虛擬樂器中可作為“按鍵切換”區域使用，用于切換音色中的演奏法、效果音以及控制功能等，通常這些區域被安排在音色音域以外的位置。例如Ample Guitar M Lite 將C3～A6 定義為“按鍵切換”區域，大致布局為C3～D5 為各種掃弦演奏法；F5～C6 為各種演奏噪聲；F6～G6 為左手演奏噪聲；A6 為吉他譜播放鍵（力度≥ 64 為開啟，≤ 63 為關閉）。

（二）力度

“力度”可用于定義如下場景：音量控制、音色變化、組切換等功能控制。

在音樂制作中，音符的音量變化（音量控制）是至關重要的。將“力度”參數用于采樣回放音量控制，取值為1-127（0 為不播放；力度最大127 時采樣音量無衰減；力度最小為1 時可設定一個默認的衰減量，如-24db）。在真實演奏中，音量衰減不是以線性變化的，以著名采樣引擎Kontakt 為例，允許用戶對力度衰減曲線進行選擇和自定義（見圖7）。

衰減量的延展參數，即力度靈敏度（0% - 100%），可允許用戶自行改變力度對音量的影響，如廠商設定最大力度衰減為-24db 時，用戶改變力度靈敏度為50%，則實際最大衰減為-12db，當靈敏度為0 時，力度不再對回放音量產生影響。

真實演奏中，音符力度會帶來音量和音色的變化。力度大意味著音量大、高頻成分多，實際聽感更加硬朗、明亮；力度小則音量小，音色更加柔和暗淡，那么可以利用該特性實現音色變化的仿真目的。在采樣回放引擎中，通過輸入不同的力度值來觸發不同力度的多個采樣（見圖8），為了避免在力度分層變化的臨界點出現的音色跳變，可以在分層間進行交叉融合。

不同的力度值可以觸發不同的采樣組或演奏技巧（組切換）。例如在Ample Guitar 長音組Sustain 上以最大力度127 觸發一個非長音的勾弦采樣Pop 或人工泛音采樣Pinch Harmonic。

這里引入一個應用實例：在Ample Metal 金屬風格吉他的設計中，因為金屬Riff 需要頻繁地在開放音Sustain 和悶音Palm Mute 間切換，這時候Keyswitch 觸發不同技巧的操作將變得非常煩瑣，為了簡化操作，更便于演奏，那么可將力度63 設置為分界點，大于63 的力度觸發開放音采樣組，而小于63 力度觸發悶音采樣組，以此實現“組切換”功能。

在虛擬樂器中還可以利用輸入力度變化控制各種功能或參數變化（功能切換）。例如Ample Guitar 使用C#6 音符大力度可以觸發Strummer 掃弦模式，而小力度則關閉Strummer 模式；使用D#6 音符力度變化切換打音連奏、滑音連奏等不同的連奏模式。

在Ample China 系列產品中，由于民族樂器技巧眾多，僅僅依靠Keyswitch 分配將占據大量的鍵位，且不方便用戶的學習和使用。我們在設計上對大量演奏法進行編組，把屬性相近的演奏法編排到同一個Keyswitch上，再利用輸入力度細分演奏法。比如大力度觸發勻速的顫音，而小力度觸發變速的顫音。MIDI 力度是最常用最方便實時演奏的參數之一，利用MIDI 力度控制虛擬樂器的參數變化，在用戶體驗上優于MIDI CC 的控制，且不需要借助過多的外部設備予以實現。

（三）時間參數

“時間參數”可用于定義如下場景：定義音符長度、用時間參數判斷虛擬音色變化、采樣切換。

“Note-On（音符開）”和“Note-Off（音符關）”兩個信息結合，定義了完整的音符長度信息。

“時間參數判斷虛擬音色變化”則是利用了時間衰減特性。以撥弦樂器為例，由于時間衰減，那么不同時間點觸發的連奏必將隨時間的變化而變化。比如，吉他上演奏音符A3 到B3 的上滑音，由于兩音是先后觸發的，將導致音色上區別較大。此時需要取得音符的時間參數，再根據樂器的物理特性計算連奏的變化量，該技術的本質是對多次物理震動之間彼此影響的計算。

“采樣切換”同樣是根據時間參數判斷不同的采樣觸發，是一種重要的虛擬樂器仿真技術。以Toontracks的EZDrummer 產品設計為例，打擊樂可以演奏一個大镲，再演奏一個捏镲的Articulation。那么這個捏镲動作是基于敲擊大镲后進入的時間點判斷的，其結果用于觸發不同的捏镲聲音采樣。

此外，時間參數Note-On（音符開）和Note-Off（音符關）也可用于音量包絡的節點觸發。例如，當系統接收到Note-On 信息時，聲音包絡就進入Start（開始時間）、Attack（起音）等階段，直到Sustain（保持）階段收到Note-Off 信息時，包絡才會進入Release（釋放）階段。

（四）控制器

“控制器”可控制虛擬樂器中任意需要被控制的參數，常用場景有：顫音、表情、延音、控制功能切換、控制DSP 處理。根據GM 規范的控制器定義，可將常用參數賦予GM 默認控制器，如CC#1（顫音）、CC#11（表情）、CC#64（延音）等。一些新的采樣引擎支持MIDICC 用戶自定義，并具備學習功能。標準MIDI 鍵盤已經集成了部分控制器，如需更多的控制能力，可外接第三方控制器。

顫音（Vibrato）是虛擬樂器中最常見的演奏法之一，常見的控件是顫音輪（Mod Wheel）。當顫音輪被推起時，CC#1 可以觸發相應幅度的LFO 調制，對信號的音高進行微調。而最新的技術，是對復音樂器中每個獨立音色進行不同調制。為了獲得真實自然的仿真效果，每一個調制再獨立賦予一個顫音調制包絡（見圖9）。這樣CC#1 只需保持在一個相對固定的值即可自動實現顫音效果，從而大幅度簡化了用戶操作。此外，在SAHDS系統中，當顫音幅度超過閾值時，還會隨LFO 不同速率，觸發琴弦摩擦指板的音效。

表情（Expression）是一組連續數據，因此可用于控制連續不斷的音色音量變化。如弓弦類樂器的二胡、吹奏類樂器的笛簫、撥弦類樂器的輪指或各種形式的Tremolo 類技巧等。其中音量變化的實現較為簡單，而音色變化的部分，則由多種方式予以實現。

延音（CC#64） 是為了模擬鋼琴的延音踏板效果。當踩下延音踏板時（值為127），系統將屏蔽Note-Off（音符關）信息，音符永不停止。所以一般情況下，延音效果和音量包絡中將Release 值加到最長是不同的。延音沒有衰減，而Release 有衰減。

在撥弦類樂器仿真系統中，延音可用于簡化演奏，演奏者無需長時間按住琴鍵以保持延音。還可用于掃弦仿真，當持續不斷的掃動琴弦時，其聲音信號不會因Note-Off（音符關）而進入Release（釋放）階段。

在笛簫二胡等無需延音的虛擬樂器上，也可以利用延音踏板作為某種常用功能的開關，例如雙連奏模式開關。因此在MIDI 1.0 標準下，設計者必須借助一切可利用的輸入信息簡化操作，實現復雜的演奏指令。

（五）彎音信息

“彎音信息”用于控制線性音高變化。MIDI 規范最高支持24 個（+/- 24 個半音）音高的彎曲范圍，而MPE標準將其擴展到96 個（+/- 96 個半音）音高。彎音是一個14 位控制器，取值范圍0～16383（+8191～0～-8192）。

（六）觸后信息

“觸后”用于觸發顫音、自定義控制。某些midi鍵盤具備觸后響應，即按鍵后，繼續在鍵盤上施加壓力，可產生“觸后”信息。該信息用于觸發音量、顫音和其他控制參數?！坝|后”有兩種類型：“通道觸后”（僅有壓力最大的鍵可以響應）、“復音觸后”（每個鍵的不同壓力可產生獨立響應值）。

（七）音色信息

“音色信息”用于切換預置音色。使用連續控制器CC#0 和CC#32 共同構成14 比特數值，音色選擇的范圍達到16384 個音色庫，每庫包含128 個音色。

（八）通道信息

“通道信息”用于多樂器協同工作、定義對撥弦樂器中琴弦的選擇。“通道”是音源按照不同聲部發聲的功能，MIDI 規格中有16 個基本通道（在位置字節中，只能分出4 位來區分通道，即2 的4 次方為16）。

實際應用中，通過“MIDI 端口+ 通道”的指定，可實現多樂器協同工作，或組成多個音源的MIDI 系統。

此外，還可通過“通道”信息指定不同的演奏區域。例如Ample Guitar 的MIDI 吉他模式，利用1-6 MIDI 通道，來定義吉他上的六根琴弦。與支持多通道輸出的MIDI吉他相配合，可準確重現吉他指法. 這對于使用MIDI吉他控制吉他虛擬樂器是至關重要的。此外，該技術還可用于Guitar Pro 軟件讀取吉他雙音技巧，將推弦音和固定音發送到不同的MIDI 通道分別進行處理。

五、MIDI 2.0 技術規范及展望

MIDI 2.0 是建立在 MIDI 1.0 核心架構和語義上的完整擴展環境，包括MIDI-CI、配置文件、屬性交換、新的通用MIDI 數據包和新的MIDI 2.0 協議。它并沒有取代 MIDI 1.0，MIDI 2.0 設備仍可以在MIDI 2.0 環境中使用MIDI 1.0 協議。其擴展的基礎體系結構由 MIDI 功能查詢（MIDI-CI）規范定義，MIDI-CI 允許設備雙向通信，并使用超出 MIDI 1.0 中已定義的擴展 MIDI 功能，同時保持向后兼容性[5]（見圖10）。

MIDI2.0 規范的幾個重大改進：

（一）具備了雙向通訊能力

MIDI 1.0 采用單向通信（控制器→計算機）方式，而MIDI 2.0 采用的是雙向通信（控制器→計算機）方式，因此控制器和計算機之間可以相互通信，這也意味著系統內相同設置的兩個或多個 MIDI 控制器也將相互通信。

（二）配置文件設置

為了減少在 DAW 中設置控制器所花費的時間，用戶僅需將功能分配給旋鈕和推子，MIDI 2.0 會自動配置設備所需的設置文件。

（三）屬性交換

當“配置文件設置”在設備中生效時，“屬性交換”消息會提供特定而詳細的信息共享，用于檢索和設置MIDI 設備的所有信息，包括設備配置設置、帶有名稱和其他元數據的程序列表、控制器及其目標列表等等?！皩傩越粨Q”實際應用的優勢在于，允許設備自動映射控制器，按名稱選擇程序甚至更改狀態，還可以向DAW 提供可視化信息，使 DAW 和硬件控制器更緊密集成。例如，DAW 可以顯示與外部合成器有關的所有信息，從而有效地將硬件合成器提升到與軟件合成器相同的可調用水平。

（四）協議協商

允許設備在使用 MIDI 1.0 協議或 MIDI 2.0 協議之間進行選擇，如果連接的設備僅具有 MIDI 1.0 功能，則2.0設備將作為 1.0 設備進行通信。MIDI 1.0 協議和 MIDI 2.0協議有許多共同消息，因此可以在兩種協議中通用。此外，MIDI 2.0 協議也擴展了一些 MIDI 1.0 消息，而有些消息則是MIDI 2.0 協議獨有的。

（五）MIDI 2.0 改進的數據傳輸

MIDI 2.0 提供了前所未有的藝術表現力。例如256個MIDI 通道，比MIDI 1.0 標準下增加了240 個通道；32 位處理精度，比MIDI 1.0 的 7 位通信更詳細高效；MIDI 1.0 參數限制在 0～127，MIDI 2.0 有 1000 個參數限制，允許更詳細的參數分配和調整；MIDI 2.0 可以自動獲取所有連接設備的信息，包括任何參數信息、生產信息、預設和音色列表，以及任何控制器映射。

從以上幾個顯著特征可以看到MIDI 2.0 對于MIDI功能的大規模擴展。它使得人機交互更加友好，也增強了設備的控制能力。此外，MIDI 2.0 有一個新的通用MIDI 數據包格式，用于攜帶MIDI 1.0 和MIDI 2.0 協議信息，32 位信息數據包，使 MIDI 的表現更加生動。該數據包格式適用于USB 或網絡高速傳輸，以及應用程序之間發送 MIDI 數據。

六、結束語

MIDI 2.0 協議的MIDI-CI 是應用的核心，該協議提高了數據處理精度，增強了系統性能和音樂表現力。MPE 標準是目前突破虛擬樂器的表現能力的最佳方案，現在越來越多的虛擬樂器都支持MPE 功能，以獲得完善的Per-Note Expressive（將音符和相應MIDI 信息發送到不同通道上，實現各種復音變化）支持。同時，這也是我們未來在虛擬樂器設計中的重點。