使用MIDI协议和随机化算法实现自动作曲的详细教程与代码示例

以下是一个基于 C 语言的自动化编曲程序的实现思路以及简化版代码示例。这个程序借助生成 MIDI 文件来达成自动作曲的目的，其中包含了旋律生成、节奏控制、和弦编排等关键功能。代码能够直接进行编译并运行，并且附有详细的注释。

---

### **1. 核心原理**

音乐数字化接口标准是 MIDI 协议，它通过事件（如音符开关、音量、乐器等）来描述音乐。

- **随机化算法**：基于音乐理论规则生成音符序列。

- **数据结构**：使用链表或数组管理音符序列。

---

### **2. 代码示例（生成MIDI文件）**

```c

#include

#include

#include

// MIDI文件头结构体

typedef struct {

char id[4]; // "MThd"

unsigned int length; // 固定为6

unsigned short 表示格式；格式可以是 0 或者 1 ；这里的格式用 format 来表示

unsigned short tracks; // 轨道数

无符号短整型的除法；这是时间基准。

} MThd;

// MIDI轨道块结构体

typedef struct {

char id[4]; // "MTrk"

unsigned int length; // 数据长度

} MTrk;

// 音符事件结构体

typedef struct {

无符号整数 delta_time ；它表示时间间隔 。

unsigned char 表示事件类型，其中 0x90 代表音符开始。

无符号字符型的 note，它表示音符编号，比如 60 就对应着 C4 这个音符。

无符号字符型变量 velocity ，用于表示力度，其取值范围是 0 到 127 。

} NoteEvent;

// 生成随机音符（C大调音阶）

生成音符的函数为 unsigned char generate_note() 。 该函数用于生成音符相关的内容 。 它会执行一些特定的操作来生成音符 。 这些操作可能涉及到各种算法或逻辑 。 最终返回一个无符号字符类型的值 。 这个值代表生成的音符 。

const unsigned char c_major[8] = {60, 62, 64, 65, 67, 69, 71, 72}; 它包含了从 C4 到 C5 的音符序列

return c_major[rand() % 8];

// 生成MIDI文件

生成 MIDI 文件，文件名为给定的字符串 filename，音符数量为 num_notes。首先创建一个 MIDI 文件对象，然后设置一些基本的参数，如节拍等。接着循环生成指定数量的音符，为每个音符设置音高、时长等属性。最后将生成的 MIDI 数据写入到文件中，并关闭文件。

打开一个文件，文件名为 filename，以二进制写入模式打开，将返回的文件指针赋值给 fp，即 fp = fopen(filename, "wb");

if (!fp) return;

// 1. 写入文件头

MThd 头部中 480 表示每拍的节拍数为 480

将头信息写入文件指针 fp 中，写入的大小为 MThd 结构体的大小 sizeof(MThd)，写入的数量为 1 次，使用 fwrite 函数进行写入操作。

// 2. 创建轨道块

MTrk 的 track_header 为 {{'M','T','r','k'}, 0}；这里的长度先暂填为 0。

long track_pos = ftell(fp);

将 track_header 写入到 fp 文件中，写入的字节数为 sizeof(MTrk)，写入的次数为 1 次，使用 fwrite 函数进行写入操作。

// 3. 设置乐器（钢琴）

unsigned char 这个数组名为 instrument，其内容为 {0x00, 0xC0, 0x00}；这里面包含了事件类型、通道以及乐器号的信息。

使用 fwrite 函数将 instrument 写入到文件指针 fp 所指向的文件中，写入的字节数为 sizeof(instrument)，每次写入 1 个单位。

// 4. 生成音符序列

srand(time(NULL));

unsigned int time_accum = 0;

for (int i = 0; i < num_notes; i++) {

NoteEvent note_on = {

delta_time 等于 120，120 个节拍等于 1/4 音符（假定 division 等于 480）

.event_type = 0x90, // 音符开启

.note 是通过 generate_note()生成的，它是随机音符。

.velocity = 100 // 力度

};

使用 fwrite 函数将 ¬e_on 写入到 fp 文件中，写入的字节数为 sizeof(NoteEvent)，写入的数量为 1 。

// 音符关闭事件（delta_time=0表示立即关闭）

NoteEvent 为一个结构体，其中包含三个成员。第一个成员为 0，第二个成员为 0x80，第三个成员为 note_on.note，第四个成员为 0。此结构体被命名为 note_off。

使用 fwrite 函数将¬e_off 按照 sizeof(NoteEvent) 的大小写入 1 次到 fp 文件中。

time_accum 加上了 note_on 的 delta_time ；time_accum 与 note_on 的 delta_time 进行了相加操作 ；note_on 的 delta_time 被加到了 time_accum 中

// 5. 结束轨道（添加元事件）

unsigned char 定义了一个名为 end_track 的数组，这个数组包含了 4 个元素，分别是 0x00、0xFF、0x2F 和 0x00。

将 end_track 写入到文件指针 fp 所指向的文件中，写入的字节数为 sizeof(end_track)，写入的次数为 1 次。

// 6. 回填轨道长度

long track_end = ftell(fp);

将文件指针 fp 移动到相对于文件开头的位置，该位置是 track_pos 加上 4 个字节；具体移动方式为从文件开头开始计算，使用 SEEK_SET 进行定位。

track_length 等于 track_end 减去 track_pos 再减去 8 ；

将 track_length 写入到文件指针 fp 所指向的文件中，每次写入 4 个字节，共写入 1 次。

fclose(fp);

int main() {

生成一个名为“auto_compose.mid”的 MIDI 文件，该文件包含 16 个音符。

printf("可以用音乐软件打开来查看效果哦。");

return 0;

```

---

### **3. 关键功能扩展方向**

#### ** 旋律生成算法**

```c

// 基于马尔可夫链的旋律生成

定义一个无符号字符类型的函数 markov_chain_note，该函数接受一个无符号字符类型的参数 prev_note 并返回一个无符号字符类型的值。函数内部实现了马尔可夫链的相关逻辑。

// 示例：简单的一阶马尔可夫概率矩阵

第八行：{1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}。

从 C4 出发的转移概率为{0,3,3,2,1,0,0,1}

{2,0,2,3,1,1,1,0}, // D4...

// ...其他音的概率分布

};

int sum = 0;

for (int i = 0; i < 8; i++) sum 加上 transitions 数组中 prev_note 对 8 取余后对应的第 i 个元素；

int r = rand() % sum;

sum = 0;

for (int i = 0; i < 8; i++) {

sum += transitions[prev_note % 8][i];

if (r < sum) return 60 + i; // 映射到C大调音阶

return 60;

```

#### ** 节奏生成器**

```c

// 生成随机节奏型（四分、八分、十六分音符）

生成节奏的函数是无符号整数类型的 generate_rhythm()函数。它主要用于生成特定的节奏相关内容。这个函数的作用就是产生节奏相关的数据或结果。它在相关的程序或系统中起到关键的作用，用于创建和管理节奏相关的元素或行为。

const unsigned int rhythms[]包含 480、240、120 这几个数值；480 代表全音符；240 代表二分音符；120 代表四分音符。

return rhythms[rand() % 3];

```

#### ** 和弦生成**

```c

// 生成C大调主和弦（C-E-G）

这样就能在指定的文件中生成和弦了。

定义了一个无符号字符数组 notes，其中包含了三个元素，分别是 60、64 和 67。

for (int i = 0; i < 3; i++) {

创建一个 NoteEvent 类型的对象 note_on，该对象的第一个参数为 0，第二个参数为 0x90，第三个参数为 notes[i]，第四个参数为 100 。

fwrite(¬e_on, sizeof(NoteEvent), 1, fp);

// 关闭所有音符...

```

---

### **4. 编译与运行**

```bash

# 使用GCC编译

使用 gcc 对 auto_compose.c 进行编译操作，最终生成名为 auto_compose 的可执行文件。

# 运行生成MIDI文件

./auto_compose

使用 MuseScore 软件打开生成的 auto_compose.mid。使用 Audacity 软件打开生成的 auto_compose.mid。

```

---

### **5. 优化建议**

1. **引入音乐理论约束**：

- 限制音域范围（如C4到C5）

- 避免连续大跳音程（如超过八度）

- 增加终止式（如结尾使用V-I和弦）

2. **文件格式优化**：

- 添加速度变化事件（0xFF 51 03）

- 支持多轨道（鼓组、和弦、旋律分离）

- 增加动态变化（velocity随机化）

3. **高级算法**：

- LSTM神经网络生成旋律

- 遗传算法优化音乐结构

- 基于音乐情感模型（如快乐、悲伤调式）

---

通过这个框架，您能够在 C 语言里实现从简单随机作曲到复杂智能生成的进化。建议将[《MIDI 1.0 标准规范》]与之结合。

)深入学习事件编码细节。