MIDI
La norme MIDI (Musical Instrument Digital Interface) intervient dans la transmission physique entre synthétiseurs, séquenceurs, claviers et autres instruments de musique électronique (cables MIDI).Elle intervient aussi pour stocker cette information dans des fichiers.
La norme MIDI est évoquée ici essentiellement sous l'aspect fichiers.
Mais il est bien entendu que ces fichiers stockant des événements MIDI, les deux sont liés.
La norme MIDI est définie par le MMA (Midi Manufacturers Association).
Tables (résumé).
Messages MIDI
Un message MIDI est composé d'un premier octet dit de "status", suivi d'un nombre variable d'octets de données.Les octets de status sont caractérisés par leur premier bit (de poids fort) à 1, c'est à dire 1xxxxxxx, donc ≥ 128 ou x80 en hexadécimal.
| Hexa | Binaire | Données | Description |
| 8n | 1000cccc | 2 | Note-off |
| 9n | 1001cccc | 2 | Note-on |
| An | 1010cccc | 2 | Polyphonic aftertouch |
| Bn | 1011cccc | 2 | Control change Channel mode |
| Cn | 1100cccc | 1 | Program change |
| Dn | 1101cccc | 1 | Channel aftertouch |
| En | 1110cccc | 2 | Pitch bend |
| Fn | 1111xxxx | * | System |
Pour les status 8n à En, la valeur de n = cccc est le numéro de canal moins un.
Le canal 1 est ainsi 0000, ... le canal 16 est 1111.
Note on/off
Le message "fondamental", provoquant l'émission d'une note et son arrêt.
Status Note Vélocité 100xcccc 0nnnnnnn 0vvvvvvv |
x = 0 pour Note-off 8n, x = 1 pour Note-on 9n
cccc est le numéro de canal.
nnnnnnn est le numéro de note :
0 = Do -2 (à 8,176 Hz !)
...
69 = La 3 (440 Hz)
...
127 = Sol 8 (12543 Hz)
Un tableau complet est donné en annexe
vvvvvvv est la "vélocité" (la vitesse de frappe de la touche), de 0 à 127. Influe directement sur le volume émis (entre autres).
Une remarque importante : un message de Note-on avec une vélocité = 0 est compris comme un message de Note-off
Toute note démarrée par un Note-on doit être arrêtée par un Note-off correspondant.
La réaction d'un synthétiseur à deux messages de Note-on successifs sur la même note (v≠0) est indéterminée.
Control change
Les control change agissent sur divers paramètres du son.Ils agissent sur des "contrôleurs", en temps réel.
Status Numéro Valeur 1011cccc 0nnnnnnn 0vvvvvvv |
nnnnnnn est le numéro du contrôleur, de 0 à 119
si nnnnnnn > 119 il ne s'agit pas d'un contrôleur mais d'un message "Channel mode"
vvvvvvv est la valeur du paramètre, de 0 à 127.
Les principaux contrôleurs définis par la norme sont :
| Hex | Dec | Contrôleur |
| 00/20 | 0/32 | Bank select MSB/LSB |
| 07 | 7 | Volume |
| 0A | 10 | Pan |
| 0B | 11 | Expression |
| 40 | 64 | Sustain |
Channel mode
Les contrôleurs de numéros >119 sont en fait des messages de "channel mode", les principaux sont| Hex | Dec | Message |
| 78 00 | 120 | All sound off |
| 79 00 | 121 | Reset all controllers |
| 7A 00/7F | 122 | Local control On/Off |
| 7B 00 | 123 | All notes off |
Program change
Le message de Program change choisit l'instrument utilisé pour toutes les notes suivantes du canal.| 1100cccc 0ppppppp |
Quelques instruments "standard" (General Midi)
| Hex | N° | Instrument |
| 0 | 1 | Piano (Acoustic grand piano), défaut |
| 1 | 2 | Piano (Bright Acoustic piano) |
| 6 | 7 | Clavecin |
| 2A | 43 | Violoncelle |
| 7E | 127 | Applaudissements |
| 7F | 128 | Coup de fusil |
Ainsi l'instrument n° 1 (Grand Piano) est ppppppp = 0
Une liste complète des instruments "General Midi" en annexe.
L'extension au dela de 128 instruments est effectuée par le message de Bank select,
choisissant une banque de 128 instruments parmi 16384 banques, soit un total théorique de 2 millions d'instruments !
Lorsqu'un message de Bank select est utilisé, le message de Program change doit le suivre immédiatement.
De plus le message de Bank select doit définir ses deux octets, c'est à dire deux messages successifs :
|
Bank select MSB 1011cccc 00000000 0hhhhhhh
Bank select LSB 1011cccc 00100000 0bbbbbbb |
Le premier message (contrôleur 0) définit les poids forts MSB hhhhhhh
Le deuxième (contrôleur 32) définit les poids faibles LSB bbbbbbb
Note importante : les bank select sont spécifiques au synthétiseur utilisé.
Divers synthétiseurs utilisent d'autres mécanismes pour étendre le nombre d'instruments possible,
par exemple via des messages "System exclusive".
Canal 10 Percussions
Le canal 10 (cccc = 1001 !) est réservé, en l'absence de program change spécifique sur ce canal, aux percussions.Chaque "note" est affectée à un son de percussion particulier
| Hex | dec | "Note" | Instrument |
| 23 | 35 | B 0 (Si 0) | Acoustic Bass Drum |
| 24 | 36 | C 1 (Do 1) | Bass Drum 1 |
| 34 | 52 | E 2 (Mi 2) | Chinese Cymbal |
| 46 | 70 | A# 3 (La# 3) | Maracas |
| 51 | 81 | A 4 (La 4) | Open Triangle |
Aftertouch
L'aftertouch modifie les caractérisrtiques du son en cours (entre le Note-on et le Note-off)Par exemple commandé par la pression sur la touche. Peu utilisé ici, en ce qui nous concerne.
Il y a deux sortes d'aftertouch :
- Note par note (polyphonique), 1010cccc 0nnnnnnn 0vvvvvvv
vvvvvvv est la valeur du paramètre
- Par canal, 1101cccc 0vvvvvvv
vvvvvvv est la valeur du paramètre
Pitch Bend
Ce contrôleur correspond à une variation en temps réel de la hauteur des notes émises, par exemple par l'action sur la molette "Pitch" du clavier.La valeur du pitch est définie sur deux octets (14 bits en fait)
1110cccc 0bbbbbbb 0hhhhhhh
La valeur du pitch est alors hhhhhhhbbbbbbb sur 14 bits.
La valeur min (note plus grave, pitch bend à -8192) est 0
La valeur médiane (note normale, pitch bend à 0) est 2000 hexa (octets 00 40)
La valeur maxi (note plus aigüe, pitch bend à +8191) est 3FFF hexa (octets 7F 7F)
L'amplitude exacte du pitch bend dépend du synthétiseur ainsi que d'autres paramètres.
System
Ces messages définissent des "extensions" aux messages ordinaires et s'adressent à l'ensemble des appareils reliés au réseau MIDI, donc sans considération de canal. On distingue les messages :"System real time" 11111ttt
"System common" 11110sss ....
"System exclusive" 11110000 .... 11110111
(rappel : les données MIDI ont leur bit de poids fort à 0)
Il en existe de deux sortes :
Ceux qui dépendent du constructeur, spécifiques d'un matériel donné
Les System exclusive "universels".
Dans les deux cas, le premier octet de donnée (identifiant) indique le constructeur, ou bien s'il s'agit d'un message universel.
7D est utilisé pour des "constructeurs" non commerciaux (recherche).
Les identifiants 7E (temps différé) et 7F (temps réel) caractérisent les System exclusive universels.
Un exemple de message System Exclusive :
FO 44 03 00 71 51 21 F7
44 = Casio
03 00 ?? signification non précisée par Casio. Modèle ?
71 Canal 2 (70 à 73, canal 1 à 4)
51 ?? commande ?
21 sélection du deuxième jeu d'instruments (20 1er jeu, 21 deuxième jeu)
F7 fin de message
Nous n'en dirons pas plus ici sur les messages système.
Running status
Pour compresser l'information transmise, il est possible de supprimer l'octet de status, si celui-ci est inchangé depuis le message précédent.Ceci est d'autant plus intéressant qu'un status de Note-off peut être remplacé par un Note-on avec une vélocité = 0.
Ainsi l'envoi successif de Do Ré Mi qui nécessite 6 messages de chacun 3 octets, soit 18 octets, est réduit à des messages de 2 octets sans status, sauf le premier, soit 13 octets.
Sans running status, avec des messages de Notes-off explicites :
90 3C 50 Note-on Do 3 ( = 3C hexa), v = 80 ( = 50 hexa), canal 1 (0000)
80 3C 40 Note-off Do 3, v = 64 (défaut, indifférent)
90 3E 50 Note-on Ré 3, v = 80
80 3E 40 Note-off Ré 3, v = 64
90 40 50 Note-on Mi 3, v = 80
80 40 40 Note-off Mi 3, v = 64
Avec running status, Notes-off remplacés par des Notes-on à v = 0 :
90 3C 50 Note-on Do 3, v = 80
3C 00 Note-on (=status précédent) Do 3, v = 0, équivaut à Note-off puisque v = 0
3E 50 Note-on Ré 3, v = 80
3E 00 Note-on Ré 3, v = 0
40 50 Note-on Mi 3, v = 80
40 00 Note-on Mi 3, v = 0
Fichiers MIDI
Nous nous interesserons essentiellement au format MIDI 1.Le MIDI 0 est composé d'une seule piste.
Le MIDI 1 de plusieurs pistes simultanées
Le MIDI 2 de plusieurs séquences (morceaux)
Format d'un fichier MIDI :
Ces fichiers sont structurés en un certain nombre de parties appelées "chunk"
Un chunk est composé :
De la longueur des données sur 4 octets
Des données
Le premier chunk est l'entête "Header Chunk"
Les suivants sont des chunks de pistes (tracks)
Header
Il commence par les octets Mthd soit en hexadécimal 4D 54 68 64Suit la longueur sur 4 octets 00 00 00 06
Format : sur deux octets le type de format 0, 1 ou 2. Soit ici 00 01.
Nombre de pistes sur deux octets
Division : sur deux octets, spécifie l'unité de temps.
Cette unité de temps peut soit être définie en nombre de "ticks" par noire, soit en images/s
Format PPQ (Pulse par Quarter note) 0xxxxxxx xxxxxxxx
Une valeur raisonnable est 192. En tout cas un multiple de 3 et de 2n (pourquoi donc... triolets, doubles et triples croches tout ça...).
La durée absolue d'un tick est définie ailleurs (le tempo).
Format SMPTE 1xxxxxxx yyyyyyyy
Il fait ainsi référence aux images "frames" et à des subdivisions.
xxxxxxx représente le nombre d'images par seconde, en complément à 2
yyyyyyyy le nombre de "ticks" par image
Ce format ne sera pas étudié plus avant ici, et nous utiliserons essentiellement le format PPQ
Exemple de Header :
4D 54 68 64 Mthd
00 00 00 06 longueur des données du Header = 6 octets
00 01 format MIDI 1
00 0D Nombre de pistes = 13
01 80 384 ticks par noire (180 hexa)
Viennent ensuite les chunks de piste :
Pistes
Le format d'un chunk de piste est le suivant4D 54 68 64 Mtrk xx xx xx xx longueur des données du chunk, MSB d'abord ... données = événements datés |
La piste 0 est réservée aux événements de contrôle du séquenceur :
changements de tempo et de mesures essentiellement.
Les pistes suivantes représentent généralement un "instrument" virtuel, une voix.
Rien n'impose d'affecter une piste du fichier à un canal MIDI particulier.
Même si générallement une piste = un canal = un instrument, rien n'empêche de mettre dans une piste
des événements MIDI destinés à divers canaux et de modifier dynamiquement l'instrument utilisé (par des program change).
Evénements
Les données d'une piste se composent d'une suite d'événements MIDIC'est à dire d'un message MIDI + le moment où doit être émis ce message.
| Delta time | Message |
Le message midi est indiqué tel quel, avec running status éventuellement, à l'exception des messages système et des Meta events
Ces derniers étant des informations annexes, non destinées au réseau MIDI (auteur, titre, copyright etc.).
Delta time
La différence de temps entre l'événement et le précédent est indiquée en longueur variable.C'est à dire que tant que le bit de poids fort vaut 1, il y a un octet (de 7 bits) suivant.
Par exemple un delta time de 100 = 64 hexa se traduit par un seul octet 01100100
Un delta time de 200 = C8 hexa par deux octets 10000001 01001000,
en concaténant les deux valeurs sur 7 bits on obtient bien 00000011001000
Un delta time de 20000 = 4E20 hexa par trois
octets 10000001 10011100 00100000
en concaténant les trois valeurs sur 7 bits on obtient bien 000000100111000100000
| Nbre d'octets | Valeurs |
| 1 | 0 à 127 |
| 2 | 128 à 16383 |
| 3 | 16384 à 2097151 |
| 4 | 2097152 à 268435455 |
Le delta time est exprimé en "tick" MIDI. La durée physique d'un tick dépend du tempo, et sa relation avec les notes sous l'aspect musical dépend de la résolution PPQ en nombre de ticks par noire du fichier (défini dans le header).
SysEx events
Les messages système MIDI (status Fn = 1111xxxx) ne peuvent être traités tels quels à cause des meta events.Ils sont préfixés dans le fichier par F0 ou F7
System exclusive F0
Les messages système exclusive MIDI ont le status F0, inutile de le répéter et le format de l'événement dans le fichier est| delta time | FO | Longueur | message après le F0, terminé par F7 |
La longueur (nombre d'octets sans le F0, mais incluant le F7 de fin) est codée en longueur variable comme les delta time.
Par exemple un message MIDI système exclusive FO 44 03 00 71 51 21 F7 est codé
tt F0 07 44 03 00 71 51 21 F7 Longueur = 7 octets, F0 exclus, F7 inclus.
Je ne donnerais pas un exemple de message exclusif à plus de 127 octets
pour illustrer le format variable de la longueur !
Morcellement F7
Pour morceler un message système dans le temps, les différents instants des morceaux sont marqués avec leur propre delta time, et chaque morceau additionnel est préfixé F7 au lieu de F0.pour envoyer un message système en deux fois à 100 ticks d'intervalle
tt FO 03 xx xx xx au temps tt, les 3 premiers octets
64 F7 04 xx xx xx F7 100 ticks plus tard les 4 derniers, dont le F7 de fin du message
System common et real time F7
Le préfixe F7, utilisé en dehors du morcellement, permet d'envoyer un message quelconque, donc en particulire ceux de status Fn avec n≠0.| delta time | F7 | Longueur | message MIDI quelconque, y compris le status |
Par exemple un message Système temps réel "Start" (FA) sera codé tt F7 01 FA (il comporte l seul octet, le status = FA)
Meta events
Le dernier type d'événement stocké dans les pistes d'un fichier MIDI représente diverses informations, à priori non destinées aux instruments MIDI eux même.| FF | Type | Longueur | Data |
Fin de piste
FF 2F 00 (Il comporte 0 octets de données)Cet évenement est obligatoire en fin de piste
Texte
FF 01 nn texte texte généralFF 02 nn texte copyright
FF 03 nn texte nom du morceau / de la piste
FF 04 nn texte nom de l'instrument
FF 05 nn texte paroles, syllabes des paroles
FF 06 nn texte marqueur
nn est la longueur, en longueur variable comme pour les delta time
Le texte est en ASCII, éventuellement étendu
Tempo
FF 51 03 tt tt tttttttt représente la durée d'une noire en microsecondes, MSB d'abord.
Time signature
FF 58 04 nn dd cc bbdéfinit la mesure utilisée. D'un point de vue musical, une mesure N/D est représentée par
nn = N tel quel
dd = logarithme en base 2 du dénominateur D
| dd | D |
| 00 | 1  |
| 01 | 2  |
| 02 | 4  |
| 03 | 8  |
| 04 | 16  |
bb = 08, nombre de triples croches par noire
Ainsi une mesure à 6/8 est codée FF 58 04 06 03 24 08
24 hexa représentant 36 décimal, soit 24 * 1.5 soit une noire pointée par temps.
Key signature
FF 59 02 nn ggnn est le nombre de dièses/bémols à la clé
| nn | Tonalité |
| F9 | 7 bémols Dob majeur/Lab mineur |
| FA | 6 bémols Solb majeur/Mib mineur |
| FB | 5 bémols Réb majeur/Sib mineur |
| FC | 4 bémols Lab majeur/Fa mineur |
| FD | 3 bémols Mib majeur/Do mineur |
| FE | 2 bémols Sib majeur/Sol mineur |
| FF | 1 bémol Fa majeur/Ré mineur |
| 00 | pas d'altération Do majeur/La mineur |
| 01 | 1 dièse Sol majeur/Mi mineur |
| 02 | 2 dièses Ré majeur/Si mineur |
| 03 | 3 dièses La majeur/Fa# mineur |
| 04 | 4 dièses Mi majeur/Do# mineur |
| 05 | 5 dièses Si majeur/Sol# mineur |
| 06 | 6 dièses Fa# majeur/Ré# mineur |
| 07 | 7 dièses Do# majeur/La# mineur |
Les meta events sont générallement regroupés dans la piste 0, à l'exception des textes par piste et du meta event "fin de piste".
Java et MIDI
Le format d'un fichier midi se reflète dans javax.sound.midi sous la forme des classes :
sequence représentant le fichier complet
track une piste
Une différence importante est que les événements stockés dans les tracks ne sont pas
datés en relatif (delta time) mais en absolu.
Le Header chunk se retrouve comme propriétés de la séquence
