DE102009014655A1

DE102009014655A1 - Verfahren zur Interpolation von MIDI Daten

Info

Publication number: DE102009014655A1
Application number: DE200910014655
Authority: DE
Inventors: Carsten Schippmann
Original assignee: Schippmann Carsten Dipl-Ing
Current assignee: Schippmann Carsten Dipl-Ing
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MIDI-Interpolator 1 zur Interpolation von im MIDI-Datenstrom enthaltenen Datenbytes, die hier zur schnellen und hoch aufgelösten Modulation musikalischer Parameter in MIDI steuerbaren elektronischen Musikinstrumenten oder Signalprozessoren verwendet werden sollen. Hierzu werden die am MIDI-Schnittstelleneingang 2 eintreffenden seriellen MIDI- Daten SMD vom MIDI-Extraktor 3 aufbereitet. Dazu werden zum einen die Datenwerte D(t), die zum Zeitpunkt t eingetroffen sind, extrahiert und zum Eingang des Interpolationsfilters 5 geführt und zum anderen wird das Eintreffen eines neuen Datenwertes D(t) durch eine Ereignisinformation EI(t) angezeigt und an eine Häufigkeitsauswertung 4 geleitet. Durch Messen der Zeitabstände zwischen den Ereignisinformationen EI(t) wird von der Häufigkeitsauswertung 4 eine Häufigkeitsgröße H(t) ermittelt, die eine Aussage über Häufigkeit, mit der die MIDI-Daten eintreffen, trifft. Die Häufigkeitsgröße H(t) wirkt als Steuergröße auf die Zeitkonstante des Interpolationsfilters 5, mit dessen Hilfe aus den diskreten Datenwerten D(t) beliebig hoch aufgelöste Interpolationen DI(t) berechnet werden. Dadurch wird eine der MIDI-Datenrate am MIDI-Schnittstelleneingang 2 angepasste zeitlich und räumlich beliebig hoch aufgelöste Interpolation der gering aufgelösten MIDI-Datenwerte erreicht, mit der sich schnelle und kontinuierliche Modulationssignale direkt aus dem MIDI-Datenstrom erzeugen lassen. Der MIDI-Interpolator 1 ...

Description

Die vorliegende Erfindung 1 (1) bezieht sich auf die Interpolation von MIDI (Musical Instruments Digital Interface) Daten in MIDI steuerbaren elektronischen Musikinstrumenten und Signalverarbeitungsgeräten.
Stand der Technik:
MIDI Daten dienen der Steuerung von Parametern, die z. B. den Klang eines synthetisch erzeugten Tones in einer bestimmten Weise beeinflussen. Zum Beispiel kann ein vom Gerät empfangenes MIDI Datum direkten Einfluss auf die Dauer der Ausklingphase einer synthetisch erzeugten angeschlagenen Klaviersaite haben. Die MIDI Daten selbst dienen hierbei nur zur Steuerung von Prozessabläufen, die wiederum von eigenständigen Klangmodulen abgearbeitet werden.
Weil MIDI Daten binär als Bits in Datenpaketen gesendet werden, können sie entweder von einem Mikroprozessor so weiterverarbeitet werden, dass sie direkt in die Algorithmen einer digitalen Tonerzeugung eingreifen oder mit Digital-Analog-Konvertern in Steuerspannungswerte zur Steuerung analog arbeitender Klangerzeugungs- bzw. Signalverarbeitungssysteme umgewandelt werden. In beiden Fällen werden diese Daten als direkt wirkende Steuerdaten zur Beeinflussung von Klangparametern benutzt.
Aufgrund der niedrigen Bitrate von 32500 Hz bei der Datenübertragung ist der Anwendungsbereich stark beschränkt und daher nur für statische oder sehr langsam verlaufende Modulationen geeignet. Ein vollständiges MIDI Datum setzt sich aus einem Statusbyte und zwei Datenbytes, jeweils eingeschlossen von einem Start- und einem Stoppbit, zusammen. Damit müssen, bis auf einige Sonderfälle, bis zu 30 Bits mit der oben genannten Übertragungsrate gesendet werden, bevor ein Datum erkannt und weiterverarbeitet werden kann. Daraus ergibt sich, dass nur mindestens alle 923 μs ein MIDI Datum empfangen werden kann. In der Praxis werden in der Regel noch mehrere Daten zur „gleichzeitigen” Ansteuerung verschiedener Parameter auf einer MIDI Schnittstelle gesendet, so dass die Daten rate für jeweils einen bestimmten Parameter noch wesentlich geringer wird.
Aus diesen Gründen eignet sich das MIDI Protokoll nicht für die Erzeugung von schnellen Modulationen in hoher Auflösung von Klangparametern, da beispielsweise für ein Durchlaufen von 128 Binärzuständen zur möglichst kontinuierlichen Aufsteuerung eines Amplitudenmodulators mindestens ca. 118 ms nötig wären, wenn keine weiteren Daten zusätzlich auf der MIDI Leitung gesendet würden, was sich überdies nicht garantieren lässt.
Weiter ist die Auflösung eines MIDI Datums, abgesehen von ein paar Sonderfällen, die auch nicht immer von allen MIDI Geräten unterstützt werden, in der Regel auf 7 Bit beschränkt, woraus eine starke Stufigkeit der zu steuernden Parameter resultiert. Insbesondere bei Tonhöhen oder tonhöhenverwandten Parametern wie Knick- oder Resonanzfrequenzen bei Audiofiltern ist diese Auflösung unzureichend und wird als störend empfunden, wenn ein quasikontinuierlicher Verlauf infolge eines andauernden MIDI Datenstromes erreicht werden soll.
Die vorliegende Erfindung 1 dient zur adaptiven zeitlichen und räumlichen Interpolation von MIDI Daten. Hierzu wird zunächst die Häufigkeit H(t) bestimmt, mit der ein bestimmtes MIDI Datum vom Wert D(t), das einen bestimmten musikalischen Parameter steuern soll und auf einem bestimmten Kanal unter einer bestimmten Controllernummer am MIDI-Schnittstelleneingang 2 empfangen wird. Dazu werden die im MIDI Protokoll verankerten Start-, Stopp- und Statusbits herangezogen, aus denen sich das Eintreffen eines neuen Datenwertes D(t) ableiten lässt. Das Eintreffen eines neuen Datenwertes D(t) soll in Form einer Ereignisinformation EI(t) angezeigt werden. Sowohl die Gewinnung der Datenwerte D(t) als auch die Gewinnung der Ereignisinformation EI(t) erfolge mittels des MIDI-Extraktors 3 gemäß dem MIDI Protokoll.
Nun wird der Zeitabstand, mit dem die Ereignisinformationen EI(t) am MIDI-Schnittstelleneingang 2 mit Hilfe der Häufigkeitsauswertung 4 gemessen. Die Häufigkeitsgröße H(t) wird allein aus den stetig gemessenen Zeitabständen zwischen den aufeinander folgenden Ereignisinformation EI(t) bestimmt und zwar der Gestalt das tendenziell kleinere Zeitabstände zu einer Zunahme der Häufigkeit H(t) führen. Es können beliebig viele Ereignisinformationen EI(t) aus der Vergangenheit zur Bestimmung der aktuellen Häufigkeitsgröße H(t) herangezogen werden
Aufgabe des Interpolationsfilters 5 ist die Berechnung von Zwischenwerten zwischen den in Folge eintreffenden diskreten Datenwerten D(t). Diese können in unregelmäßigen Zeitabständen am MIDI-Schnittstelleneingang 2 eintreffen. Das Interpolationsfilter 5 kann zur Berechnung dieser Zwischenwerte beliebig viele Datenwerte D(t) aus der Vergangenheit berücksichtigen. Die Annäherung der interpolierten Zwischenwerte an die aktuellen Datenwerte D(t) kann dabei in einem beliebigen Verlauf erfolgen.
Die Zeitkonstante T des Interpolationsfilters 5 bestimmt dabei die Geschwindigkeit beziehungsweise den Verlauf, mit der die Interpolation voranschreitet. Diese Zeitkonstante T wird in Abhängigkeit der Häufigkeitsgröße H(t) gesteuert und zwar dergestalt, dass eine Zunahme der Häufigkeitsgröße H(t) tendenziell zu einer Abnahme der Zeitkonstante T führt. Dadurch wird die interpolierte Ausgangsfunktion D_I(t) am Ausgang 6 des Interpolationsfilters 5 den dynamischen Verhältnissen der eintreffenden Datenwerte so angepasst, dass selbst große Datenwertsprünge, die in beliebigen Zeitabständen am MIDI-Schnitstelleneingang 2 erfolgen können, in beliebig fein gestufte oder, bei analoger Datenverarbeitung, kontinuierliche Wertverläufe umgewandelt werden, womit jede Stufigkeit der ursprünglichen Datenwerte D(t) eliminiert wird. Die Steuerung der Zeitkonstante T erlaubt zudem beliebig schnell verlaufende Modulationen.
Der oben beschriebene Zusammenhang zwischen der Häufigkeitsgröße H(t) und der Zeitkonstanten T des Interpolationsfilters 5 setzt grundsätzlich die vernünftige Annahme voraus, dass ein zeitlich großer Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Datenwerten D(t) einen eigentlich langsamen Werteverlauf bezweckt. Durch die Art und Weise des Kurvenverlaufes, mit der diese Annäherung geschieht, kann eine Anpassung an die musikalischen Gegebenheiten und gehörmäßigen Bevorzugungen gemacht werden. Beispielsweise kann ein überschwingendes Verhalten bei der Erreichung des neuen Endwertes D_I(t) zu neuen und interessanten musikalischen Ergebnissen führen. Eine beliebige Vielfalt von Annäherungsweisen und musikalischen Absichten ist hierbei denkbar. Das Interpolationsfilter 5 könnte auch Hochpassverhalten aufweisen, wodurch zwar zunächst wieder eine sprunghafte Änderung der Datenwerte am Ausgang 6 des Interpolationsfilters 5 die Folge wäre, aber zum Beispiel mit anschließendem Rückgang gegen Null oder einem Nachschwingen um den Endwert.
Das Interpolationsfilter 5 der hier vorliegenden Erfindung 1 stellt wie oben beschrieben also ein zeitvariantes System dar. Die Zeitvarianz dieses Systems in spielt eine entscheidende Rolle für die Anpassung der Interpolation an die Häufigkeit, mit der die MIDI Daten am MIDI-Schnittestelleneingan 2 eintreffen und ist wesentlich für eine möglichst „verzerrungsfreie” Abbildung der tatsächlich ankommenden MIDI Daten.
Ein einfacher Ansatz kann beispielsweise nach Gleichung G1.1 gemacht werden.
Hierbei wird zwischen zeitlich aufeinander folgenden Datenwerten D(t_v) linear mit der Zeit t interpoliert und zwar umso schneller, je Größer die Häufigkeit H(t_v) zum Zeitpunkt t_v ist. Figur 2 veranschaulicht die hier beschriebene Prozedur nach Gleichung G1.1. Zur Vereinfachung wechseln sich zwei Datenwerte D(t) entlang der Zeitachse t in unterschiedlichen Zeitabständen Δ₁ und Δ₂ miteinander ab. Die interpolierten Datenwerte D_I(t) erreichen bereits nach dem zweiten Wechsel von D(t) den anzustrebenden Endwert (Asymptote). Das kann deshalb so sein, weil zuvor möglicherweise für lange Zeit kein Datenwert eingetroffen ist und sich somit eine zu große Zeitkonstante T des Interpolationsfilters 5 eingestellt hat. Verkürzt sich das Zeitintervall zum ersten mal von Δ₁ auf Δ₂, so erhält man zuerst wieder einen Interpolationsfehler, da die neue Häufigkeitsgröße H(t) erst nach Vergehen des Zeitintervalls Δ₂ ermittelt werden kann. Das Interpolationsfilter 5 hängt also einen Datenwert hinterher. In der Praxis wird dieser Interpolationsfehler jedoch dadurch klein gehalten, dass man feiner zeitlich gerasterte Datenketten senden kann, die aber immer noch von geringer Dichte zu sein brauchen, um schnelle und kontinuierliche beziehungsweise quasikontinuierliche Interpolationsverläufe zu liefern.
Die Umsetzung der Erfindung 1 lässt sowohl Softwarelösungen in Form einer Unterroutine als auch digitale oder analoge Hardwarelösungen sowie eine beliebige Mischung aus diesen Ansätzen zu.

1

1: MIDI Interpolator
2: MIDI-Schnittstelleneingang
3: MDI-Extraktor
4: Häufigkeitsauswertung
5: Interpolationsfilter
6: Datenausgang des Interpolationsfilters
SMD: Serieller MIDI-Datenstrom
EI(t): Ereignisinformation
H(t): Häufigkeitsgröße
D(t): MIDI-Datenwerte
D_I(t): interpolierte MIDI Datenwerte

2

D(t): MIDI-Datenwerte
D_I(t): interpolierte MIDI Datenwerte
t: Zeit entlang der Zeitachse
Δ₁: Zeitintervall 1
Δ₂: Zeitintervall 2
Asymptote: Angestrebter Endwert von D_I(t)

Claims

Verfahren zur Interpolation von MIDI Daten mittels einer Vorrichtung (1) mit an den Datenstrom angepasster Interpolationsgeschwindigkeit mit den folgenden Verfahrensschritten: – Extraktion der unter einer bestimmten Kanalnummer gesendeten, an einen bestimmten Controller adressierten und zur Steuerung eines bestimmten musikalischen Parameters vorgesehenen digitalen Datenwerte (D(t)) aus dem seriellen MIDI-Datenstrom (SMD) am MIDI-Schnittstelleneingang (2), mittels eines MIDI-Exraktors (3), – Extraktion einer Ereignisinformation (EI(t)) aus dem MIDI-Datenstrom (SMD), die angibt, dass ein neuer digitaler Datenwert (D(t)), der unter einer bestimmten Kanalnummer gesendet und an einen bestimmten Controller zur Steuerung eines bestimmten musikalischen Parameters adressiert wurde, eingetroffen ist, mittels eines MIDI-Exraktors (3), – Bestimmung einer Häufigkeitsgröße (H(t)), die ein Maß für die Häufigkeit, mit der die Datenwerte (D(t)), die unter einer bestimmten Kanalnummer gesendet und an einen bestimmten Controller zur Steuerung eines bestimmten musikalischen Parameters adressiert wurden, am MIDI-Schnittstelleneingang (2) eintreffen, mittels einer Häufigkeitsauswertung (4), – Interpolation von beliebig vielen Zwischenwerten zwischen den zu beliebigen Zeitpunkten aufeinander folgenden, eintreffenden diskreten Datenwerten (D(t)) unter Einfluss der Häufigkeitsgröße (H(t)), mittels eines Interpolationsfilters (5).
Extraktion der Datenwerte (D(t)) nach Anspruch 1, wobei, gemäß dem festgelegten MIDI-Protokoll, die Datenwerte (D(t)) mittels des MIDI-Extraktors (3) separiert werden,
Extraktion einer Ereignisinformation (EI(t)) nach Anspruch 1, wobei, gemäß dem festgelegten MIDI-Protokoll, die entsprechenden Start-Stopp- und Statusbits mittels des MIDI-Extraktors (3) zur Erkennung eines neu gesendeten Datenwertes (D(t)) herangezogen werden und durch ein Ereignisbit als Ereignisinformation (EI(t)) angezeigt werden,
Verfahren zur Bestimmung einer Häufigkeitsgröße (H(t)) nach Anspruch 1 und 3, wobei die Zeitabstände zwischen den aufeinander folgend eintreffenden Ereignisinformationen (EI(t)) gemessen werden und daraus ein Maß für die Häufigkeit abgeleitet wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Häufigkeitsgröße (H(t)) nach Anspruch 1, 3 und 4, wobei die Häufigkeit (H(t)) so bewertet wird, dass diese tendenziell mit kürzer werdenden Zeitabständen zwischen den Ereignisinformationen (EI(t)) zunimmt.
Verfahren zur Bestimmung einer Häufigkeitsgröße (H(t)) nach Anspruch 1 und 3 bis 5, wobei beliebig viele Ereignisinformationen (EI(t)) aus der Vergangenheit zur Bestimmung der momentanen Häufigkeitsgröße (H(t)) herangezogen werden können.
Verfahren zur Bestimmung einer Häufigkeitsgröße (H(t)) nach Anspruch 1 und 3 bis 6, wobei die Messung der Zeitabstände zwischen den Ereignisinformationen (EI(t)) digital oder analog erfolgen kann.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1 und 2 mit Hilfe eines Interpolationsfilters (5) mit variabler Zeitkonstante (T).
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2 und 8, wobei Zwischenwerte berechnet werden, die sich, zeitlich beliebig dicht beieinander liegend, von den zeitlich älteren Datenwerten (D(t)) ausgehend dem zeitlich jüngsten Datenwert (D(t)) in beliebiger Weise annähern.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, wobei beliebig viele Datenwerte D(t)) aus der Vergangenheit zur Berechnung eines momentanen Zwischenwertes herangezogen werden können.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2 und 8 bis 10, wobei die Interpolation auf digitalem oder analogem Wege erfolgen kann.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2 und 4 bis 11, wobei die Zeitkonstante (T), mit der die Zwischenwerte berechnet werden, von der Häufigkeitsgröße (H(t)) gesteuert wird.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2 und 4 bis 12, wobei die Zeitkonstante (T) tendenziell mit zunehmender Häufigkeit (H(t)) abnimmt.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2 und 4 bis 13, wobei die Zunahme der Zeitkonstante (T) die Annäherung der Zwischenwerte an den aktuellen Datenwert (D(t)) verlangsamt.
Verfahren zur Interpolation von Zwischenwerten zwischen den Datenwerten (D(t)) nach Anspruch 1, 2 und 4 bis 15, wobei nach der Interpolation der diskreten Datenwerte (D(t)) die interpolierten Datenwerte (D_I(t)) zur intendierten Parametersteuerung auf digitalem oder analogem Wege vom Interpolationsfilter (5) am Ausgang (6) bereitgestellt werden.