使用Python编程制作一段Midi音符

用Python编程制作一段简单的音乐（I）

前言

对于一些不会写词的业余音乐爱好者来说，可能某一天突然产生了灵感想到一段旋律，然后用一些作曲软件把这段旋律记录下来，然后找一个常见的和弦走向，然后加上两条伴奏和鼓点，再做一些简单的混音。这样，一段“还凑活，听得下去”的音乐就出来了。

我们在编程制作一段音乐的时候，也可以模仿业余爱好者的步骤，将整个流程分成如下五个部分。

1. 使用适当的模块来生成一段音符
2. 让程序生成一段规则的音符，能称得上“主旋律”
3. 给这段主旋律添加一系列和弦
4. 给这段主旋律添加一段伴奏
5. 优化程序生成的音乐

这里，我将用几篇文章来介绍如何使用Python编程制作一段简单的音乐。从随机生成一段杂乱无章的音符，到生成一段“还凑活，听得下去”的音乐。

这个编程制作音乐的流程中暂时不包括作词、配器、混音等，只包括了最简单的几个制作步骤

本系列文章所使用的编程环境为Python 3.6，相关代码在https://github.com/HaloOrangeWang/NoiseMaker/blob/master/Routines/P1/main.py

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一、通过程序输出音频的概述

通过程序将一段乐谱并输出成音频时，通常需要先将乐谱保存为midi格式，再根据需求转化为其他格式的音频。因为midi格式存储的是音符、控制指令等信息。相比于其他常见的音频格式，如wav、mp3、ogg等，它和原始乐谱更为贴近。

但是，midi文件的格式较为复杂，直接通过程序将一段音符输出为midi格式存在一定的困难。因此，我们考虑使用现成的模块来完成这个任务。

我使用的midi文件生成的模块是“mido”（版本1.2.8）。

这个库的安装很简单，直接在命令行中输入 pip3 install mido 或 python3 -m pip install mido 即可。

二、通过程序生成一个音符

下面这段Python代码实现了生成一个长度为1拍、音量为75%的中央C音符的功能，并将它以mid文件的形式输出。

import mido


mid = mido.MidiFile()
track = mido.MidiTrack()
mid.tracks.append(track)

track.append(mido.Message('note_on', note=60, velocity=96, time=0))
track.append(mido.Message('note_off', note=60, velocity=96, time=480))

mid.save('a1.mid')

在这段代码中，为mid对象添加一个音符的操作是在 mido.Message('note_on', <......>) 和 mido.Message('note_off', <......>) 这两行实现的。值得说明的是这个 Message 函数的几个参数

• type 这个参数确定信号的类型。其中 note_on 表示一个音符的开始，note_off 表示一个音符的结束。
• note 这个参数确定音符的音高。60代表中央C，每增加12，音高升高一个八度。
• velocity 这个参数确定音符的音量。0表示静音，127表示最大音量。
• time 这个参数确定消息所在的时间。这个时间以tick为单位，而在mido的默认配置中，1拍中有480个tick。所以要想生成一个长度为1拍的音符，应该设置其time值为480，而不是1。
  • 每条消息中，time值的含义是这条消息与上一条消息的时间差，而不是一条消息在乐曲中的绝对时间。
  • 想要获取每拍中tick的数量，可以通过 print(mid.ticks_per_beat) 来实现。
  • 上面的 mid.ticks_per_beat 值可以更改。

我们可以用FL Studio等包含midi编辑功能的软件打开这个mid文件，从而看到程序的输出效果。

效果1.PNG

三、调节配置

一个完整的乐谱中，除了有音符组合以外，还应该有一些整体的控制信息，如速度（bpm）、歌名、音色等。这些信息可以通过输入如下代码在程序中进行配置。

1. 设置音色

• 设置一个音轨的音色的代码是 track.append(mido.Message('program_change', program=1, time=0))。 其中，program 这个参数确定了这个音轨的音色。
• 如果想要知道 program 的值和具体乐器的对照关系，可以自行搜索“midi音色表”。
• 除了打击乐通道以外，音色的默认值为Piano 1。

2. 设置速度

• 设置乐曲速度的代码是 track.append(mido.MetaMessage('set_tempo', tempo=500000, time=0))。其中，tempo 这个参数确定了乐曲的速度。
• tempo 值的含义是每一拍为多少微秒。500000表示每一拍为0.5秒，即每分钟120拍。bpm和tempo的关系为

bpm = \frac{60000000}{tempo}

3. 设置音轨名称

• 设置音轨名称的代码为 track.append(mido.MetaMessage('track_name', name='Piano', time=0))。其中，name这个参数确定了音轨的名称。

四、随机生成一段音符

下面这段Python代码实现的功能是生成长度为16拍的大钢琴。音高和音量都是随机的。

import mido
import random


pitch_list = [[] for t0 in range(32)]  # 每个半拍所有音符的音高
vel_list = [[] for t1 in range(32)]  # 每个半拍所有音符的音量

# 随机确定每个半拍的音量和音高
for i in range(32):
    note_num = random.randint(0, 3)
    while True:
        pitch_list[i] = [random.randint(60, 84) for t2 in range(note_num)]
        vel_list[i] = [random.randint(64, 100) for t3 in range(note_num)]
        if len(pitch_list[i]) == len(set(pitch_list[i])):  # 同一时间音符的音高不能重合
            break


mid = mido.MidiFile()
track = mido.MidiTrack()
mid.tracks.append(track)

track.append(mido.MetaMessage('set_tempo', tempo=500000, time=0))
track.append(mido.MetaMessage('track_name', name='Piano 1', time=0))
track.append(mido.Message('program_change', program=1, time=0))  # 这个音轨使用的乐器

current_beat = 0
for i in range(32):
    # 添加这个半拍所有音符的开始
    for note in range(len(pitch_list[i])):
        note_beat = i * 0.5
        track.append(mido.Message('note_on', note=pitch_list[i][note], velocity=vel_list[i][note],
                                  time=round(480 * (note_beat - current_beat))))
        current_beat = note_beat
    # 添加这个半拍所有音符的终止
    for note in range(len(pitch_list[i])):
        note_beat = i * 0.5 + 0.4
        track.append(mido.Message('note_off', note=pitch_list[i][note], velocity=vel_list[i][note],
                                  time=round(480 * (note_beat - current_beat))))
        current_beat = note_beat

mid.save('test.mid')

值得注意的是

• 在 mido.Message 中， time 值的含义这条消息与上一条消息的时间差。所以我们在程序中，需要将每个音符的起止点在乐谱中的时间，转化为相邻两个音符的时间差。
• time 参数的值必须为整数，所以我们需要对时间进行取整。建议用 round 方法进行取整，不要使用 int 。

这段音符用FL Studio打开的效果如下

效果2.PNG

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至此，我们介绍了如何通过程序生成一段音符，并修改这段音符的音色、速度。但是用本文的方法，你只能通过程序生成一段杂乱无章的音符，还不能称得上是一段音乐。

至于如何通过程序生成一段有序的音符，能够勉强称得上是一段”旋律”，请看下篇。

（未完待续）