JUCE MIDI编程完全指南：从基础到高级音乐应用开发

原创 于 2025-11-03 02:07:23 发布 · 716 阅读 ·
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JUCE MIDI编程完全指南：从基础到高级音乐应用开发

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在音乐软件开发领域，MIDI（ Musical Instrument Digital Interface，乐器数字接口）技术是连接数字音乐设备的桥梁。无论是开发虚拟乐器、音乐控制器还是录音软件，掌握MIDI编程都是必不可少的技能。JUCE框架作为音频应用开发的强大工具，提供了全面的MIDI处理能力，让开发者能够轻松实现从简单MIDI消息收发到复杂音乐合成器的各种应用。本文将带你深入探索JUCE MIDI编程的世界，从基础概念到高级应用，一步步构建专业的音乐软件。

MIDI基础与JUCE框架概述

MIDI技术通过数字消息来描述音乐事件，如音符的开始与结束、音量、音调等。这些消息可以在不同的音乐设备和软件之间传输，实现音乐的创作、演奏和录制。JUCE框架为MIDI编程提供了丰富的类和工具，简化了MIDI设备的管理、消息的处理以及音乐应用的开发流程。

JUCE的MIDI相关功能主要集中在juce_audio_basics模块中，该模块提供了处理MIDI消息、设备管理、合成器等核心功能。通过JUCE，开发者可以轻松实现MIDI输入输出、消息解析、音乐合成等复杂操作，而无需深入了解底层的硬件交互细节。

JUCE MIDI编程核心模块

JUCE框架中与MIDI编程相关的核心模块和类包括：

  • MidiMessage：表示单个MIDI消息，提供了创建、解析和操作MIDI消息的方法。
  • MidiInput/MidiOutput：用于管理MIDI输入输出设备，实现MIDI消息的收发。
  • MidiKeyboardState：管理虚拟MIDI键盘的状态，处理音符的按下和释放。
  • MidiKeyboardComponent：提供可视化的MIDI键盘组件，方便用户交互。
  • Synthesiser：实现合成器功能，将MIDI消息转换为音频信号。

这些类协同工作，为开发者提供了完整的MIDI应用开发解决方案。无论是开发简单的MIDI消息监视器，还是复杂的虚拟乐器，JUCE都能满足需求。

JUCE MIDI开发环境搭建

在开始JUCE MIDI编程之前，需要先搭建好开发环境。JUCE提供了跨平台的支持，可以在Windows、macOS、Linux等操作系统上进行开发。以下是搭建开发环境的基本步骤：

1. 下载和安装JUCE框架

首先，从JUCE官方网站下载最新版本的JUCE框架。然后，按照官方文档的说明进行安装和配置。JUCE提供了Projucer工具，用于创建和管理JUCE项目，简化了项目配置和构建过程。

2. 创建MIDI应用项目

使用Projucer创建一个新的JUCE项目，选择合适的项目模板。对于MIDI应用开发，可以选择"Audio"模板，该模板包含了音频和MIDI输入输出功能的基本配置。

// Projucer项目模板配置示例
"Audio", "Creates a blank JUCE GUI application with a single window component and audio and MIDI in/out functions."

3. 配置MIDI模块依赖

在项目设置中，确保以下模块被正确包含：

  • juce_audio_basics：提供MIDI消息处理和基础音频功能。
  • juce_audio_devices：管理音频和MIDI设备。
  • juce_audio_utils：提供音频和MIDI相关的工具类和组件。

这些模块是实现MIDI功能的基础，确保在项目中正确配置和链接。

4. 设置平台特定权限

对于需要使用蓝牙MIDI设备的应用，还需要在相应平台上配置权限。例如，在iOS上需要添加蓝牙MIDI后台能力，在Android上需要声明蓝牙权限。

// iOS蓝牙MIDI权限配置示例
props.add (new ChoicePropertyComponent (iosBackgroundBleValue, "Bluetooth MIDI Background Capability"))

// Android蓝牙MIDI权限配置示例
" If enabled, this will set the android.permission.BLUETOOTH_CONNECT, android.permission.BLUETOOTH and android.permission.BLUETOOTH_ADMIN flags in the manifest. This is required for Bluetooth MIDI on Android."

完成以上步骤后，开发环境就搭建好了，可以开始编写MIDI应用代码。

MIDI设备管理与消息处理

在JUCE中，MIDI设备的管理和消息处理是通过MidiInput和MidiOutput类实现的。这些类提供了枚举可用MIDI设备、打开和关闭设备、以及收发MIDI消息的功能。

枚举MIDI设备

使用MidiInput::getAvailableDevices()和MidiOutput::getAvailableDevices()方法可以获取系统中可用的MIDI输入和输出设备列表。这些方法返回MidiDeviceInfo对象的数组，包含设备的名称、标识符等信息。

// 枚举MIDI输入设备示例
Array<MidiDeviceInfo> midiInputs = MidiInput::getAvailableDevices();
for (auto& device : midiInputs)
{
    DBG("MIDI Input Device: " << device.name);
}

// 枚举MIDI输出设备示例
Array<MidiDeviceInfo> midiOutputs = MidiOutput::getAvailableDevices();
for (auto& device : midiOutputs)
{
    DBG("MIDI Output Device: " << device.name);
}

打开和关闭MIDI设备

要打开MIDI设备进行消息收发，需要创建MidiInput或MidiOutput对象，并调用openDevice()方法。打开设备时，需要提供设备标识符和消息回调函数（对于输入设备）。

// 打开MIDI输入设备示例
auto midiInput = MidiInput::openDevice(deviceInfo.identifier, this);
if (midiInput != nullptr)
{
    midiInput->start();
}

// 关闭MIDI输入设备示例
midiInput->stop();
midiInput.reset();

处理MIDI消息

对于MIDI输入设备，需要实现MidiInputCallback接口来处理接收到的MIDI消息。回调函数在MIDI线程中执行，因此需要注意线程安全，避免在回调中直接进行UI操作。

// MIDI消息回调示例
void handleIncomingMidiMessage(MidiInput* source, const MidiMessage& message) override
{
    // 在MIDI线程中处理消息，需要线程同步
    const ScopedLock sl(midiMonitorLock);
    incomingMessages.add(message);
    triggerAsyncUpdate();
}

// 在消息线程中更新UI
void handleAsyncUpdate() override
{
    Array<MidiMessage> messages;
    {
        const ScopedLock sl(midiMonitorLock);
        messages.swapWith(incomingMessages);
    }

    String messageText;
    for (auto& m : messages)
        messageText << m.getDescription() << "\n";

    midiMonitor.insertTextAtCaret(messageText);
}

发送MIDI消息

使用MidiOutput::sendMessageNow()方法可以立即发送MIDI消息，或者使用sendBlockOfMessages()方法发送一批消息。

// 发送MIDI消息示例
MidiMessage noteOn(MidiMessage::noteOn(1, 60, 0.8f));
noteOn.setTimeStamp(Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001);
midiOutput->sendMessageNow(noteOn);

// 发送MIDI消息块示例
MidiBuffer buffer;
buffer.addEvent(noteOn, 0);
midiOutput->sendBlockOfMessages(buffer, Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001, 44100);

MIDI消息结构与常用消息类型

MIDI消息由状态字节和数据字节组成，不同的消息类型有不同的结构和用途。JUCE的MidiMessage类封装了各种MIDI消息的创建和解析，简化了消息处理过程。

MIDI消息基本结构

MIDI消息通常由一个状态字节和若干个数据字节组成。状态字节的最高位为1，低四位表示消息类型，高四位表示通道号（对于通道消息）。数据字节的最高位为0，范围是0-127。

例如，音符开启（Note On）消息的状态字节格式为0x9n，其中n是通道号（0-15）。后面跟随两个数据字节，分别表示音符编号（0-127）和 velocity（0-127）。

常用MIDI消息类型

JUCE的MidiMessage类提供了创建各种常用MIDI消息的静态方法：

  • Note On/Off：表示音符的开始和结束。
  • Control Change：控制各种参数，如音量、音调等。
  • Program Change：切换音色。
  • Pitch Bend：改变音高。
  • Channel Pressure：通道压力。
  • Polyphonic Key Pressure：复音键压力。
// 创建常用MIDI消息示例
auto noteOn = MidiMessage::noteOn(1, 60, 0.8f); // 通道1，音符60，velocity 0.8
auto noteOff = MidiMessage::noteOff(1, 60, 0.5f); // 通道1，音符60，velocity 0.5
auto controlChange = MidiMessage::controllerEvent(1, 10, 127); // 通道1，控制器10（ panoram），值127
auto programChange = MidiMessage::programChange(1, 5); // 通道1，音色5
auto pitchBend = MidiMessage::pitchWheel(1, 8192); // 通道1，音高弯曲到中间值

MIDI 2.0与UMP支持

随着MIDI 2.0标准的推出，JUCE也提供了对Universal MIDI Packet（UMP）的支持。UMP是MIDI 2.0的基础数据包格式，支持更高的分辨率和更多的功能。JUCE的UMP类和相关工具可以处理MIDI 2.0消息，实现与MIDI 2.0设备的通信。

// MIDI 2.0消息处理示例
UMP ump;
auto noteOn = ump.createNoteOn(0, 60, 1.0f); // MIDI 2.0 Note On消息
auto converted = ump.convertToMIDI1(); // 转换为MIDI 1.0消息以便兼容旧设备

JUCE虚拟MIDI键盘实现

JUCE提供了MidiKeyboardComponent类，用于创建可视化的虚拟MIDI键盘。这个组件可以接收用户的鼠标或触摸输入，并生成相应的MIDI消息，方便用户在应用中进行MIDI输入。

创建虚拟MIDI键盘

要创建虚拟MIDI键盘，需要先创建MidiKeyboardState对象来管理键盘状态，然后创建MidiKeyboardComponent对象并将其添加到UI中。

// 创建虚拟MIDI键盘示例
MidiKeyboardState keyboardState;
MidiKeyboardComponent midiKeyboard(keyboardState, MidiKeyboardComponent::horizontalKeyboard);

// 添加到组件
addAndMakeVisible(midiKeyboard);
midiKeyboard.setBounds(10, 100, getWidth() - 20, 60);

处理虚拟键盘事件

MidiKeyboardState会发送noteOn和noteOff事件，需要实现MidiKeyboardState::Listener接口来处理这些事件，并生成相应的MIDI消息发送到输出设备。

// 处理虚拟键盘事件示例
void handleNoteOn(MidiKeyboardState*, int midiChannel, int midiNoteNumber, float velocity) override
{
    MidiMessage m(MidiMessage::noteOn(midiChannel, midiNoteNumber, velocity));
    m.setTimeStamp(Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001);
    sendToOutputs(m);
}

void handleNoteOff(MidiKeyboardState*, int midiChannel, int midiNoteNumber, float velocity) override
{
    MidiMessage m(MidiMessage::noteOff(midiChannel, midiNoteNumber, velocity));
    m.setTimeStamp(Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001);
    sendToOutputs(m);
}

自定义虚拟键盘外观

MidiKeyboardComponent支持自定义外观，如键盘颜色、键宽、标签显示等。可以通过继承MidiKeyboardComponent并重写相关方法，或使用LookAndFeel来定制外观。

// 自定义虚拟键盘外观示例
midiKeyboard.setKeyWidth(20); // 设置键宽
midiKeyboard.setColour(MidiKeyboardComponent::whiteNoteColourId, Colours::white); // 白键颜色
midiKeyboard.setColour(MidiKeyboardComponent::blackNoteColourId, Colours::black); // 黑键颜色
midiKeyboard.setColour(MidiKeyboardComponent::textLabelColourId, Colours::darkgrey); // 标签颜色

MIDI合成器与音频生成

JUCE的Synthesiser类提供了合成器功能，可以将MIDI消息转换为音频信号。合成器由多个声音（Sound）和发声器（Voice）组成，支持多音色和复音播放。

创建合成器实例

首先，创建Synthesiser对象，并添加声音和发声器。JUCE提供了SynthesiserSound和SynthesiserVoice接口，需要实现这些接口来定义自定义的声音和发声逻辑。

// 创建合成器示例
Synthesiser synth;

// 添加发声器
for (int i = 0; i < 8; ++i) // 8个复音
    synth.addVoice(new MySynthVoice());

// 添加声音
synth.addSound(new MySynthSound());

实现合成器声音和发声器

SynthesiserSound定义了声音的特性，如适用的MIDI通道和音符范围。SynthesiserVoice实现具体的发声逻辑，包括音符开启/关闭、声音生成等。

// 自定义合成器声音示例
class MySynthSound : public SynthesiserSound
{
public:
    bool appliesToNote(int midiNoteNumber) override { return true; } // 适用于所有音符
    bool appliesToChannel(int midiChannel) override { return true; } // 适用于所有通道
};

// 自定义合成器发声器示例
class MySynthVoice : public SynthesiserVoice
{
public:
    bool canPlaySound(SynthesiserSound* sound) override { return dynamic_cast<MySynthSound*>(sound) != nullptr; }

    void startNote(int midiNoteNumber, float velocity, SynthesiserSound* sound, int currentPitchWheelPosition) override
    {
        // 开始发声，初始化振荡器等
        frequency = MidiMessage::getMidiNoteInHertz(midiNoteNumber);
        level = velocity;
        isPlaying = true;
    }

    void stopNote(float velocity, bool allowTailOff) override
    {
        // 停止发声，处理释放阶段
        isPlaying = false;
    }

    void renderNextBlock(AudioBuffer<float>& outputBuffer, int startSample, int numSamples) override
    {
        if (!isPlaying) return;

        // 生成音频信号
        for (int i = 0; i < numSamples; ++i)
        {
            float sample = std::sin(frequency * currentAngle) * level;
            currentAngle += 2.0 * MathConstants<float>::pi * frequency / getSampleRate();

            for (int channel = 0; channel < outputBuffer.getNumChannels(); ++channel)
                outputBuffer.addSample(channel, startSample + i, sample);
        }
    }

private:
    float frequency = 440.0f;
    float currentAngle = 0.0f;
    float level = 0.0f;
    bool isPlaying = false;
};

将MIDI消息发送到合成器

合成器需要接收MIDI消息来触发声音生成。可以将MIDI输入设备接收到的消息直接发送到合成器，或者将虚拟键盘生成的消息发送到合成器。

// 将MIDI消息发送到合成器示例
void handleIncomingMidiMessage(MidiInput* source, const MidiMessage& message) override
{
    const ScopedLock sl(midiMonitorLock);
    synth.handleMidiEvent(message); // 将MIDI消息发送给合成器
}

生成音频输出

合成器生成的音频信号需要通过音频设备输出。在JUCE的音频回调函数中，调用合成器的renderNextBlock()方法来生成音频数据。

// 音频回调中生成合成器输出示例
void getNextAudioBlock(const AudioSourceChannelInfo& bufferToFill) override
{
    bufferToFill.clearActiveBufferRegion();

    // 渲染合成器输出
    synth.renderNextBlock(*bufferToFill.buffer, midiMessages, bufferToFill.startSample, bufferToFill.numSamples);
}

高级MIDI应用开发：MIDI效果器与音序器

除了基础的MIDI消息处理和合成器开发，JUCE还支持更高级的MIDI应用开发，如MIDI效果器和音序器。这些应用可以对MIDI消息进行实时处理，实现复杂的音乐创作功能。

MIDI效果器开发

MIDI效果器接收MIDI输入，对消息进行处理（如延迟、 arpeggiator、量化等），然后输出处理后的消息。JUCE的AudioProcessor类支持开发VST、AU等格式的MIDI效果器插件。

// MIDI效果器示例：简单的arpeggiator
class ArpeggiatorProcessor : public AudioProcessor
{
public:
    // ... 构造函数和其他重写方法 ...

    void processBlock(AudioBuffer<float>& buffer, MidiBuffer& midiMessages) override
    {
        MidiBuffer outputMidi;

        // 处理输入MIDI消息
        for (const auto metadata : midiMessages)
        {
            const auto msg = metadata.getMessage();
            const auto time = metadata.samplePosition;

            if (msg.isNoteOn())
            {
                notes.add(msg.getNoteNumber());
                startArpeggio(time);
            }
            else if (msg.isNoteOff())
            {
                notes.removeValue(msg.getNoteNumber());
            }
        }

        // 生成arpeggiator输出
        if (notes.size() > 0 && isArpeggiating)
        {
            auto currentTime = Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001;
            if (currentTime - lastNoteTime > arpeggioInterval)
            {
                // 发送当前音符
                outputMidi.addEvent(MidiMessage::noteOn(1, notes[currentNoteIndex], 0.8f), currentTime);
                // 关闭上一个音符
                if (lastNoteNumber != -1)
                    outputMidi.addEvent(MidiMessage::noteOff(1, lastNoteNumber, 0.5f), currentTime);

                lastNoteNumber = notes[currentNoteIndex];
                currentNoteIndex = (currentNoteIndex + 1) % notes.size();
                lastNoteTime = currentTime;
            }
        }

        midiMessages.swapWith(outputMidi);
    }

private:
    Array<int> notes;
    int currentNoteIndex = 0;
    int lastNoteNumber = -1;
    double lastNoteTime = 0.0;
    double arpeggioInterval = 0.2; // 0.2秒间隔
    bool isArpeggiating = false;

    void startArpeggio(double time)
    {
        isArpeggiating = true;
        currentNoteIndex = 0;
        lastNoteTime = time;
    }
};

MIDI音序器开发

MIDI音序器可以录制、编辑和播放MIDI序列，实现自动化的音乐播放。JUCE的MidiSequence类和MidiFile类提供了MIDI序列的管理和文件读写功能。

// MIDI音序器示例：录制和播放MIDI序列
class MidiSequencer : public Timer
{
public:
    MidiSequencer()
    {
        sequence.setTicksPerQuarterNote(960); // 设置分辨率
    }

    // 开始录制
    void startRecording()
    {
        sequence.clear();
        recordingStartTime = Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001;
        isRecording = true;
    }

    // 停止录制
    void stopRecording()
    {
        isRecording = false;
    }

    // 开始播放
    void startPlaying()
    {
        playPosition = 0;
        startTime = Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001;
        startTimer(10); // 每10毫秒更新一次
    }

    // 停止播放
    void stopPlaying()
    {
        stopTimer();
    }

    // 录制MIDI消息
    void recordMidiMessage(const MidiMessage& msg)
    {
        if (!isRecording) return;

        double time = Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001 - recordingStartTime;
        int tick = timeToTick(time);
        sequence.addEvent(msg, tick);
    }

    // 定时器回调，更新播放位置
    void timerCallback() override
    {
        if (!isPlaying) return;

        double currentTime = Time::getMillisecondCounterHiRes() * 0.001 - startTime;
        int currentTick = timeToTick(currentTime);

        // 发送当前位置的MIDI消息
        MidiBuffer messages;
        sequence.getEventsBetween(playPosition, currentTick, messages, 44100);
        for (const auto metadata : messages)
            sendMidiMessage(metadata.getMessage());

        playPosition = currentTick;
    }

private:
    MidiSequence sequence;
    double recordingStartTime = 0.0;
    double startTime = 0.0;
    int playPosition = 0;
    bool isRecording = false;
    bool isPlaying = false;

    // 将时间（秒）转换为tick
    int timeToTick(double time)
    {
        double bpm = 120.0;
        double quarterNotesPerSecond = bpm / 60.0;
        double ticksPerSecond = quarterNotesPerSecond * sequence.getTicksPerQuarterNote();
        return (int)(time * ticksPerSecond);
    }

    // 发送MIDI消息
    void sendMidiMessage(const MidiMessage& msg)
    {
        // 发送到MIDI输出设备或合成器
        for (auto midiOutput : midiOutputs)
            if (midiOutput->outDevice != nullptr)
                midiOutput->outDevice->sendMessageNow(msg);
    }
};

跨平台MIDI应用注意事项

JUCE提供了跨平台的MIDI支持，但不同平台在MIDI设备管理和权限设置上存在差异，需要注意以下事项：

Windows平台

  • Windows使用WASAPI或DirectSound作为音频后端，需要确保音频设备驱动正常安装。
  • MIDI设备通常通过USB-MIDI接口连接，需要安装相应的驱动程序。
  • 在Windows 10及以上版本，支持MIDI 2.0和UMP消息。

macOS平台

  • macOS内置对CoreMIDI的支持，提供低延迟的MIDI处理。
  • 支持蓝牙MIDI设备，需要在项目中配置蓝牙权限。
  • 可以使用AudioUnit框架开发AU格式的MIDI插件。

Linux平台

  • Linux通常使用ALSA或JACK作为音频和MIDI后端，需要安装相应的库和工具。
  • 确保用户具有访问MIDI设备的权限（加入audio组）。
  • JUCE的Linux版本需要libasound2-dev等依赖库。

移动平台（iOS/Android）

  • iOS需要在Info.plist中配置蓝牙MIDI权限和后台运行能力。
  • Android需要在AndroidManifest.xml中声明蓝牙和音频权限。
  • 移动平台的MIDI设备连接通常通过蓝牙或USB OTG实现。

总结与进阶学习资源

通过本文的介绍，你已经掌握了JUCE MIDI编程的基础知识，包括MIDI设备管理、消息处理、合成器开发以及高级应用如效果器和音序器。JUCE提供了强大而灵活的MIDI处理能力，无论是开发简单的MIDI工具还是专业的音乐软件，都能满足需求。

进阶学习资源

  • JUCE官方文档：详细介绍了JUCE的MIDI相关类和方法。
  • JUCE示例项目：如MidiDemo、MidiLoggerPluginDemo等，提供了实际的代码示例。
  • MIDI规范文档：深入了解MIDI协议的技术细节。
  • 音频和MIDI开发社区：如KVR Audio、Stack Overflow等，获取开发支持和交流经验。

下一步学习建议

  • 深入学习MIDI 2.0和UMP协议，开发支持新一代MIDI设备的应用。
  • 探索JUCE的DSP模块，结合MIDI和音频效果处理，开发更复杂的音乐应用。
  • 学习VST、AU等插件格式的开发，将MIDI应用打包为插件格式。

JUCE MIDI编程是一个充满创造力的领域，希望本文能为你的音乐软件开发之旅提供帮助。通过不断实践和探索，你可以开发出功能强大、富有创意的音乐应用。

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创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考

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