midi_file

udanish50/midipy: A Python package for MIDI data processing, analysis, and parsing.

MIDI文件格式 §

概述 §

• MIDI文件由文件头和若干个音轨（track）组成，音轨不一定为音频数据，也可能保存乐曲的meta信息

文件头Header chuck §

• 文件头固定为14个字节

项目	长度	内容
MIDI标识	4	“MThd”
文件头长度header_len	4	[0x00,0x00,0x00,0x06]，其后共6个字节
格式mid_format	2	0，1，或2
Track数量	2
division	2	delta timing的单位

• 如果格式mid_format为1时，文件将有两个音轨，第一个只保存meta数据，第二个为音频音轨

音轨Track chuck §

• 音轨以”MTrk”开头

项目	长度	内容
音轨标识	4	“MTrk”
音轨长度track_len	4
音轨内容	由音轨长度决定

• 音轨长度：大端模式，例如使用python的int.from_bytes(trk[4:8], byteorder='big')转化
• 一个音轨由一到多个音轨event组成，共分为MIDI、Meta、SysEx三种不同event，event包含delta-time（用可变长度格式表示）标识时间的偏移和具体event内容
• 不同类型event用其第一个字节标识，MIDI为0x800xEF，SysEx为0xF00xF7，Meta为0xFF
• 构成形式为<MTrk> + <track_len> + <delta-time + event_1> +<delta-time + event_2> + ...

可变长度格式的转化（如delta-time、数据长度） §

• delta-time可能为1~4字节长，字节的第一个比特如果为1，表明后面是否还有delta-time数据。转化方法代码实例为：

## decide the variable length value
def get_len(var):
    ## input: 4 bytes
    ## return: 1) the number of bytes of the variable length, 2) the actual length it indicates
    real_len = 0
    var_len = 1
    continuation = False
    for i in range(4):
        real_len = (real_len<<7)|(var[i]&0x7f)
        if var[i]&0x80==0:
            var_len = i+1
            break
 
    return real_len, var_len

• 测试用例：

数据	有效位	delta-time数据	实际值
[0x00, 0xf0, 0x30, 0x30]	1	0x00	0x0
[0x40, 0x80, 0xf0, 0x30]	1	0x40	0x40
[0x7f, 0xff, 0x50, 0x30]	1	0x7F	0x7F
[0x81, 0x00, 0xe0, 0x30]	2	0x81 0x00	0x80
[0xc0, 0x00, 0xf5, 0x30]	2	0xC0 0x00	0x2000
[0xff, 0x7f, 0xf0, 0x30]	2	0xFF 0x7F	0x3FFF
[0x81, 0x80, 0x00, 0xf0]	3	0x81 0x80 0x00	0x4000
[0xc0, 0x80, 0x00, 0xf0]	3	0xC0 0x80 0x00	0x100000
[0xff, 0xff, 0x7f, 0xd0]	3	0xFF 0xFF 0x7F	0x1FFFFF
[0x81, 0x80, 0x80, 0x00]	4	0x81 0x80 0x80 0x00	0x200000
[0xc0, 0x80, 0x80, 0x00]	4	0xC0 0x80 0x80 0x00	0x8000000
[0xff, 0xff, 0xff, 0x7f]	5	0xFF 0xFF 0xFF 0x7F	0xFFFFFFF

t = [[0x00, 0xf0, 0x30, 0x30], # 00
     [0x40, 0x80, 0xf0, 0x30], # 40
     [0x7f, 0xff, 0x50, 0x30], # 7F
     [0x81, 0x00, 0xe0, 0x30], # 81 00
     [0xc0, 0x00, 0xf5, 0x30], # c0 00
     [0xff, 0x7f, 0xf0, 0x30], # ff 7f
     [0x81, 0x80, 0x00, 0xf0], # 81 80 00
     [0xc0, 0x80, 0x00, 0xf0], # c0 80 00
     [0xff, 0xff, 0x7f, 0xd0], # ff ff 7f
     [0x81, 0x80, 0x80, 0x00], # 81 80 80 00
     [0xc0, 0x80, 0x80, 0x00], # c0 80 80 00
     [0xff, 0xff, 0xff, 0x7f]] # ff ff ff 7f

Meta event §

• Meta event以0xFF开头

项目	长度	内容
Meta event标识	1	0xFF
Meta类型标识	1	如0x03等
event 长度	1~4	参考可变长度格式
event内容	由event长度决定

• 测试用例0x00, 0xFF, 0x51, 0x03, 0x0C, 0xB7, 0x35, 0x00, 0xFF, 0x2F, 0x00 包含两个Meta event，0x00, 0xFF, 0x51, 0x03, 0x0C, 0xB7, 0x35，和0x00, 0xFF, 0x2F, 0x00 两者delta-time均为0.

Meta类型 §

值	类型	值	类型	值	类型	值	类型
0x00	Sequence number	0x04		0x20		0x58
0x01		0x05		0x2F	End of track	0x59
0x02		0x06		0x51	Tempo setting	0x7F
0x03	Sequence or track name	0x07		0x54

Tempo计算 §

• 首先由Meta内容长度提取出Tempo数据
• 其为大端显示，转化方式如tempo = int.from_bytes(data, byteorder='big')
• BPM为int(60*(10**6)/tempo))
• 测试用例：0x00, 0xFF, 0x51, 0x03, 0x0C, 0xB7, 0x35 0x51为Tempo类型，长度为0x03，内容为0x0C, 0xB7, 0x35，计算出的tempo为833333，单位为微秒 换算为BPM为72