Python编曲实践（一）：通过Mido和PyGame来编写和播放单轨MIDI文件

本文主要是介绍Python编曲实践（一）：通过Mido和PyGame来编写和播放单轨MIDI文件，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前言

人工智能编曲是一个十分复杂的话题，而这一话题的起点便是选择一个良好的编曲媒介，使得开发者能够将AI的音乐灵感记录下来，并且能够很方便地将其播放、编辑、分享。
MIDI文件是电脑编曲的一种通用格式，它容易通过音乐编辑软件导入、导出，也有很多现成的库函数来对其进行编辑加工。
首先，我找到了PythonWiki提供的音乐库合集 - PythonInMusic，在这里上百个库之中，仅有寥寥几个是支持Python3且仍有活力的，在其中Mido和PyGame.midi库是其中比较好用的两个库，本篇文章就采用这两个库来进行MIDI文件的编写和播放。

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Mido编曲

关于用Mido库来创建一个新的MIDI文件，官方文档给出了如下示例代码：

from mido import Message, MidiFile, MidiTrackmid = MidiFile()
track = MidiTrack()
mid.tracks.append(track)track.append(Message('program_change', program=12, time=0))
track.append(Message('note_on', note=64, velocity=64, time=32))
track.append(Message('note_off', note=64, velocity=127, time=32))mid.save('new_song.mid')

这段示例代码虽然短，可是已经将编写MIDI文件的基本思路完全表达出来了：

首先创建一个MidiFile对象
创建一个（或多个）MidiTrack对象，并将其append到MidiFile中
向一个（或多个）MidiTrack对象内添加Message对象（包括program_change、note_on、note_off等）和MetaMessage对象（用以表示MIDI文件的节拍、速度、调式等属性）
保存MidiFile对象

下面我通过对Message和MetaMessage这两个十分重要的概念的进一步说明，来加深大家理解

Message

Message对象的类型十分复杂，是根据MIDI文件的格式实现的，官方文档有详细列表，在此我们不一一列举，而仅对我使用到的三种Message来进行分析：

1. control_change

program_change是用于更改不同channel的乐器音色的，格式为：

Message('program_change', channel, program, time=0)

channel是指定的0~15的一个值，因为MIDI文件给我们提供了默认的16个通道，通过这个值可以选择更改乐器的通道编号；
program对于乐器编号，点此可以查到不同乐器对应的编号

2.note_on

note_on消息，可以理解为音符的开始，其格式为

Message('note_on', note, velocity, time, channel)

其中note是0~127的一个数字，代表音符的高低，通过实践证明60代表的音高是C4，仅供参考；
velocity代表音强，也是0~127的一个数字，默认为64，若要体现音符强度的变化可以修改它；
time是时间变量，是十分复杂的一个参数，在note_on信息这里可以理解为该音符写在前一个音符结束多久之后，单位是微秒（ms）；
channel同上一个函数一样，代表通道的编号，即将这个音符写到哪个通道之上，这可能起到更改乐器的效果

3.note_off

note_off消息，可以理解为音符的结束，一般紧跟在note_on消息之后，其格式与上面的相同

Message('note_off', note, velocity, time, channel)

note参数与note_on消息保持一致，否则有可能不能成功写入
velocity同note_on保持一致就好
time在此处表示的意义是音符的持续时间，也是以微秒（ms）为单位
channel也是表示通道号，与note_on保持相同即可

MetaMessage

MetaMessage的种类也很多，可以参考官方文档，我只使用了3种MetaMessage，列举在下面：

	tempo = 75tempo = mido.bpm2tempo(bpm)meta_time = MetaMessage('time_signature', numerator=3, denominator=4)meta_tempo = MetaMessage('set_tempo', tempo = tempo, time=0)meta_tone = MetaMessage('key_signature', key='C')

其中time_signature是对于节拍的表示，在此处即3/4，参数以分子和分母来命名，十分清晰
set_tempo是用于设置音乐的节奏快慢，由于这里tempo的单位不是BPM（Beat Per Minute），故一般配合bpm2tempo来使用
key_signature是用于设置音乐的调式的，在此处我设置为C大调，若是小调的话仅需要在后面添加小写字母m，如Cm表示C小调

编程实现

1. play_note函数

由于Message对象需要的参数比较多而且单位转换复杂繁琐，故我自己编写了一个play_note函数来更加方便编曲：

def play_note(note, length, track, base_num=0, delay=0, velocity=1.0, channel=0):meta_time = 60 * 60 * 10 / bpmmajor_notes = [0, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 1]base_note = 60track.append(Message('note_on', note=base_note + base_num*12 + sum(major_notes[0:note]), velocity=round(64*velocity), time=round(delay*meta_time), channel=channel))track.append(Message('note_off', note=base_note + base_num*12 + sum(major_notes[0:note]), velocity=round(64*velocity), time=round(meta_time*length), channel=channel))

由于我要编的歌曲是大调曲式，而大调的音阶结构是“全全半全全全半”（这一规律可以通过钢琴键盘的黑白键安排来得到，在此不赘述乐理知识），故我创建一个major_notes数组，用于根据根音计算出某一个音符的音高；
meta_time是根据bpm而计算出的每个节拍的时间长度，用于得到Message中的time参数
base_note是通过实验得到的C4的音高，作为根音来搭配major_notes得到每个音符的音高
base_num用于切换目前所在的音域，负值表示低几度，正值表示高几度
velocity是一个0~2的浮点数，以64为基准来进行比较

2. 编曲

下面开始正式编曲了，我选择的是《大海啊，故乡》这首歌，简谱如下：

由于我们是纯乐器演奏，而前奏与后面重复率极高，故略过前奏。之后我将此音乐以八小节为单位分为3个部分，其中后两部分仅一个半音部分有区别。根据此特征，我编写了chorus和verse两个函数，代码如下：

def verse(track):play_note(1, 0.5, track)       # 小play_note(2, 0.5, track)       # 时play_note(1, 1.5, track)       # 候play_note(7, 0.25, track, -1)  # 妈play_note(6, 0.25, track, -1)  # 妈play_note(5, 0.5, track, -1, channel=1)  # 对play_note(3, 0.5, track, channel=1)      # 我play_note(3, 2, track, channel=1)        # 讲play_note(3, 0.5, track)           # 大play_note(4, 0.5, track)play_note(3, 1.5, track)           # 海play_note(2, 0.25, track)          # 就play_note(1, 0.25, track)          # 是play_note(6, 0.5, track, -1, channel=1)  # 我play_note(2, 0.5, track, channel=1)      # 故play_note(2, 2, track, channel=1)        # 乡play_note(7, 0.5, track, -1)  # 海play_note(1, 0.5, track)play_note(7, 1.5, track, -1)  # 边play_note(6, 0.25, track, -1)play_note(5, 0.25, track, -1)play_note(5, 0.5, track, -1, channel=1)  # 出play_note(2, 0.5, track, channel=1)play_note(2, 2, track, channel=1)        # 生play_note(4, 1.5, track)       # 海play_note(3, 0.5, track)       # 里play_note(1, 0.5, track)       # 成play_note(6, 0.5, track, -1)play_note(1, 3, track)         # 长def chorus(track, num):play_note(5, 0.5, track)  # 大play_note(6, 0.5, track)play_note(5, 1.5, track)  # 海play_note(3, 0.5, track)  # 啊play_note(5, 0.5, track, channel=1)  # 大play_note(6, 0.5, track, channel=1)play_note(5, 2, track, channel=1)    # 海play_note(6, 0.5, track)  # 是（就）play_note(5, 0.5, track)  # 我（像）play_note(4, 0.5, track)  # 生（妈）if num == 1:play_note(1, 0.25, track, channel=1) # 活play_note(1, 0.25, track, channel=1) # 的if num == 2:play_note(1, 0.5, track, channel=1)  # (妈)play_note(6, 0.5, track, channel=1)      # 地（一）play_note(5, 0.5, track, channel=1)play_note(5, 3, track, channel=1)        # 方（样）play_note(3, 0.5, track)  # 海（走）play_note(4, 0.5, track)  # 风（遍）play_note(3, 1.5, track)  # 吹（天）play_note(2, 0.25, track) # (涯)play_note(1, 0.25, track)play_note(6, 0.5, track, -1, channel=1)  # 海（海）play_note(2, 0.5, track, channel=1)      # 浪play_note(2, 2, track, channel=1)        # 涌（角）play_note(4, 0.5, track)              # 随（总）play_note(5, 0.5, track)              # 我（在）play_note(4, 0.5, track)              # 漂（我）play_note(3, 0.5, track)              # 流（的）play_note(1, 0.5, track, channel=1)   # 四（身）play_note(6, 0.5, track, -1, channel=1)play_note(1, 3, track, channel=1)     # 方（旁）

3. play_midi函数

PyGame的midi模块提供了一个很好的播放midi的功能，由于代码非原创，故仅仅贴出这个函数：

def play_midi(file):freq = 44100bitsize = -16channels = 2buffer = 1024pygame.mixer.init(freq, bitsize, channels, buffer)pygame.mixer.music.set_volume(1)clock = pygame.time.Clock()try:pygame.mixer.music.load(file)except:import tracebackprint(traceback.format_exc())pygame.mixer.music.play()while pygame.mixer.music.get_busy():clock.tick(30)

总结

至此编曲工作已经告一段落，顺便向大家推荐一款免费MIDI播放与编辑软件MidiEditor。虽然没有Pro Tools和Cubase等专业编曲软件的全面功能，但是对于MIDI文件编写的基本需求而言足够了，我们的作品在MidiEditor像这样：
单音轨的音乐听起来还是比较单薄，这篇文章也是我进行智能编曲的尝试和敲门砖，争取之后能够使用更简便的方法做出更复杂更动听的音乐，谢谢关注！
完整工程见 Github