4-9 第一講 MIDI簡介

3-1 第一講 MIDI簡介

主要內容
• 聲音本質與聽覺特性
• 聲音質量的度量
• 聲音信號數字化
• 音樂的基礎知識
• 電子音樂合成技術
• 電子樂器數字界面（MIDI）
聲音的本質
聲音的分類
• 波形聲音
• 語音    80－3400Hz
• 音樂
聲音的三要素
• 音調、音強、音色為聲音的三要素。
• 音強（響度）取決於聲音的幅度（分貝）。
• 音調取決於聲音的頻率。
• 音色是由混入基音的泛音所決定的。

聲音的聽覺特性
• 人的耳朵對聲音強度的回應成對數形式
• 聲音的方向性
• 聲音的掩蔽特性（時域掩蔽、頻域掩蔽、MP3）
聲音質量的度量
• 聲音的質量與聲音的帶寬有關，一般來說頻率範圍越寬，聲音質量也就越高。
聲音信號數字化
• 聲音信號是典型的連續信號，不僅在時間上是連續的，而且在幅度上也是連續的。
• 聲音進入計算機的第一步就是數字化，數字化實際上就是采樣和量化。
聲音信號數字化
• 採樣（sampling）︰將聲音信號在時間上離散化，即每隔相等的一段時間抽取一個信號樣本。
聲音信號數字化
• 量化（quantization）︰將連續的信號幅度離散化。如果幅度的劃分是等間隔的，稱為線性量化，否則為非線性量化。
聲音信號數字化
• 采樣頻率
•     奈奎斯特理論指出︰采樣頻率不應低於聲音信號最高頻率的兩倍，這樣就能把以數字表達的聲音還原成原來的聲音，稱為無損數字化。
•     fs   >=  2fmax
•     話音信號最高頻率約為3.4kHz，所以採樣頻率取為8kHz。
聲音信號數字化
• 采樣精度: 每個聲音樣本的數字化位數反映了聲音波形幅度的采樣精度。
音樂
• 中國音樂起初是與巫術和宗教活動聯繫在一起的，舜作¡§韶¡¨、禹作¡§大夏¡¨、武王作¡§大武¡¨，¡§樂¡¨被孔夫子列為¡§六藝¡¨之一 。後來，音樂從宗教中漸漸脫離出來，成為一種獨立的藝術。
• 以小提琴為例，當它的A弦振動時，並不僅僅是整根弦在振動，這根弦的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一¡K¡K處都在振動著。於是，整根弦的振動產生了最主要的頻率，我們稱之為基音，而弦長的二分之一、三分之一、四分之一等處的振動則產生了一些次要的頻率，我們稱之為泛音。
• 如果一個物體振動所發出的泛音為基音的整數倍，這個音就會具有清晰可辨的音高，我們稱之為樂音，如鋼琴，小提琴等發出的都是樂音；如果泛音是基音的非整數倍，這個音就不具備清晰可辨的音高，我們稱之為噪音，如汽車發動機、計算機風扇等發出的都是噪音。
音樂的四要素
• 音高︰由基音的頻率決定。即¡§Do¡¨¡§Re¡¨¡§Mi¡¨等音符。
• 響度︰由聲波的振幅決定。
• 音色︰由基音與泛音的比例、泛音的分佈、泛音隨時間的衰減變化決定。不同發音源（樂器）的材質、形狀不同，其泛音的排列組合也不同，也就構成了這一物體特殊的音色。
• 時值︰樂音振動的持續時間，即節奏。
電子音樂合成
• 使用電子元器件（計算機）生成音樂的技術稱為電子音樂合成。電子音樂合成器又稱為¡§魔音琴¡¨。
• 電子音樂合成方法分為兩大類︰
頻率調製（FM）合成法
• 數字式頻率調製合成法，簡稱為FM合成法。
• FM電子合成器先由震盪器產生一個載波作為基音，然後再產生若干個調製波帶著許多泛音加在載波之上，您可以對這個組合加以任意調整，然後加上典型的聲音包絡線（ADSR），再透過數控濾波器和數控放大器送往數字/類比轉換器，從而形成最後的音響。
• 由於一個物體不可能總是一成不變的振動，所以它的頻率和振幅都會隨著時間的改變而改變，並最終趨於靜止。我們把一聲音的發展過程分為四個階段，分別是觸發、衰減、保持和消失。這四個階段我們統稱為¡§包絡¡¨ 。包絡的發生時間，也決定了一個樂音的時值。
頻率調製（FM）合成法
樂音樣本合成法
• 樂音樣本合成法是把真實樂器發出的聲音以數字的形式記錄下來，播放時再加以調整、修飾和放大，生成各種音階的音符。

• 樂音樣本通常放在ROM晶片上，播放時以查表的模式給出，所以這種合成器又叫做波表（wave table）合成器。
樂音樣本合成法
Wavetable合成器的衡量標準
軟體波表與DLS
• 軟體波表，故名思義就是用軟體來類比硬體波表合成器，它的原理跟硬體波表完全一樣，只不過硬波表是把樂器的波形存放到ROM裡，在需要的時候直接調用；而軟波表是把樂器的波形存到硬碟上的某一個檔案裡，在需要的時候透過CPU運算調用。所以，軟波表會佔用比較多的CPU資源。著名的軟波表有YAMAHA公司的S-YXG系列和ROLAND公司的VSC系列，還有韓國COWON公司的JET-MIDI。
• 由於硬波表價格難以令大眾接受並且不易升級，於是就有了價格便宜的DLS（Downloadable Sound Modules）波表合成技術，這是個介於硬波表和軟波表之間的東西。雖然它能把波表存儲在硬碟上，使用時再調入內存然後透過聲卡上的專用音效晶片來處理。
電子樂器數字界面（MIDI）
• 電子樂器數字界面（musical instrument digital interface, MIDI）是用於在音樂合成器、電子樂器、音序器和計算機之間交換音樂訊息的一種標準協議。從80年代初問世至今，MIDI經歷了長時間的發展，現已成為電腦音樂的代名詞。
電子樂器數字界面（MIDI）
• MIDI實質上是由MIDI控制單元（或MIDI檔案）產生的指示電子音樂合成器要做什麼、怎么做（如演奏某個音符、加大音量、生成音響效果）的一套標準指令。MIDI不是聲音信號，在MIDI電纜上傳送的不是聲音，而是動作指令。
電子樂器數字界面（MIDI）
• 由於MIDI只是記錄音樂訊息的數字代碼，所以生成的檔案比較小，便於傳播，也便於編輯修改 。
• MIDI音樂常作為背景音樂。
• 與Mp3、Wav等音頻格式不同的是MIDI的播放質量很大程度上取決於硬體或軟體的音源環境，也就是說同樣的MIDI檔案在不同的電腦上可能有非常明顯的效果差別，究其原因是因為它們調用的波表音色庫不一樣 。
MIDI的物理界面標準 ,MIDI設備的連接 ,MIDI的通道概念