MIDI

MIDI (Musical Instrument Digital Interface, цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — это стандарт передачи данных между электронными музыкальными инструментами, компьютерами и другим оборудованием, описывающий протокол передачи, аппаратный интерфейс и формат файлов. В отличие от аудиоформатов (например, WAV или MP3), MIDI не передаёт звук как таковой, а передаёт команды (события), управляющие синтезаторами, семплерами и другими устройствами: какие ноты, с какой громкостью, длительностью и на каком канале должны быть воспроизведены.

История

Разработка MIDI началась в начале 1980-х годов, когда производители синтезаторов столкнулись с проблемой несовместимости устройств разных брендов. До появления единого стандарта для синхронизации и управления несколькими инструментами требовались сложные и дорогие аналоговые системы или ручное переключение.

В 1981 году американский композитор и инженер Дэйв Смит (Dave Smith), основатель компании Sequential Circuits, предложил концепцию «Universal Synthesizer Interface» (USI). Его идея заключалась в создании универсального протокола, который позволил бы синтезаторам разных производителей обмениваться данными. В 1982 году к проекту присоединились компании Roland, Yamaha, Korg, Kawai и другие. В августе 1983 года на выставке NAMM (National Association of Music Merchants) был представлен первый прототип, а в 1984 году спецификация MIDI 1.0 была опубликована официально.

Первым синтезатором, оснащённым MIDI-интерфейсом, стал Sequential Circuits Prophet-600 (1982). В 1985 году компания Atari выпустила компьютер Atari ST, который имел встроенные MIDI-порты, что сделало его популярным инструментом для музыкантов. В 1987 году компания Microsoft совместно с Roland разработала стандарт General MIDI (GM), который унифицировал карту звуков (128 инструментов) и обеспечил совместимость MIDI-файлов на разных устройствах.

Аппаратный интерфейс

Физические разъёмы

Стандартный MIDI-интерфейс использует 5-контактный разъём DIN-41524 (также известный как DIN-5). Существует три типа портов:

• MIDI In — принимает данные от внешнего устройства.
• MIDI Out — передаёт данные с устройства на другое.
• MIDI Thru — дублирует сигнал, полученный на порт In, для передачи на следующее устройство в цепочке (без задержки).

Кабели и дальность

MIDI-кабель — это экранированный кабель с двумя витыми парами и одним экраном. Максимальная длина кабеля без потери сигнала — до 15 метров (50 футов). Для передачи на большие расстояния используются MIDI-сплиттеры, оптические преобразователи или USB-MIDI-интерфейсы.

Скорость передачи

MIDI использует последовательный асинхронный протокол со скоростью 31,25 кбит/с (31 250 бит в секунду). Это относительно низкая скорость, но для передачи команд управления она достаточна, так как объём данных невелик (одно событие «нота включена» занимает 3 байта).

Протокол передачи данных

Сообщения

MIDI-сообщения делятся на два типа: канальные (Channel Messages) и системные (System Messages).

Канальные сообщения передаются по одному из 16 каналов (0–15). Каждое устройство может быть настроено на приём данных только по определённому каналу. Основные типы канальных сообщений:

• Note On — включение ноты (с указанием высоты тона и скорости нажатия — velocity).
• Note Off — выключение ноты.
• Aftertouch — давление на клавишу после нажатия (полифонический или монофонический).
• Control Change — изменение параметров (например, громкость, панорама, модуляция).
• Program Change — переключение тембра (инструмента) на синтезаторе.
• Pitch Bend — изменение высоты тона (колесо питч-бенда).

Системные сообщения не привязаны к каналу и управляют всей системой:

• System Exclusive (SysEx) — проприетарные команды для конкретных устройств (например, загрузка патча или дамп памяти).
• System Common — команды синхронизации (например, начало/конец песни).
• System Real-Time — тактовые импульсы для синхронизации темпа (24 импульса на четверть).

Формат MIDI-файла

MIDI-файлы (расширение .mid) хранят последовательность событий во времени. Существует три формата:

• Format 0 — все данные записаны на один трек (наиболее распространён для простых мелодий).
• Format 1 — несколько параллельных треков (например, отдельно для фортепиано, баса, ударных).
• Format 2 — несколько независимых последовательностей (используется редко).

Файл содержит заголовок (header) с указанием формата, количества треков и разрешения (ticks per quarter note — количество тиков на четверть), а затем последовательность MIDI-событий с временными метками.

Стандарты и расширения

General MIDI (GM)

Стандарт General MIDI (GM), принятый в 1991 году, определил:

• 128 инструментов (тембров), разделённых на 16 групп (например, фортепиано, орган, гитара, струнные).
• 47 ударных инструментов, закреплённых за определёнными нотами (например, бас-барабан — нота 36, малый барабан — 38).
• Минимальные требования к полифонии (не менее 24 голосов).
• Обязательную поддержку 16 каналов, где канал 10 (в некоторых реализациях — 9) зарезервирован для ударных.

General MIDI 2 (GM2)

В 1999 году был принят стандарт GM2, расширивший список инструментов до 256, добавивший поддержку новых типов контроллеров (например, реверберация, хорус) и улучшенную совместимость.

Roland GS и Yamaha XG

Производители Roland и Yamaha разработали собственные расширения стандарта GM:

• Roland GS (1991) — добавил дополнительные звуки, эффекты (реверберация, хорус) и возможность управления параметрами через SysEx.
• Yamaha XG (1994) — предложил ещё большее количество инструментов (до 480), улучшенные эффекты и поддержку полифонии до 32 голосов.

MIDI 2.0

В 2020 году была опубликована спецификация MIDI 2.0, которая является обратно совместимой с MIDI 1.0. Ключевые нововведения:

• Увеличение разрешения (16-битные значения вместо 7-битных для velocity, pitch bend и контроллеров).
• Двунаправленная связь (устройства могут обмениваться информацией о своих возможностях).
• Поддержка профилей (наборов параметров для конкретных инструментов).
• Возможность передачи данных с более высокой скоростью (до 100 Мбит/с через USB).

Применение

Музыкальное производство

MIDI широко используется в цифровых аудиостанциях (DAW) — таких как Ableton Live, Cubase, Logic Pro, FL Studio — для записи, редактирования и воспроизведения музыкальных партий. MIDI-клавиатуры (контроллеры) позволяют вводить ноты в компьютер, а виртуальные инструменты (VST, AU, AAX) воспроизводят звук по MIDI-командам.

Живые выступления

В концертной деятельности MIDI применяется для управления синтезаторами, семплерами, световым оборудованием и видеопроекторами. С помощью MIDI-контроллеров (например, педалей, драм-машин) музыканты могут переключать патчи, запускать сэмплы и синхронизировать темп.

Образование и обучение

MIDI-интерфейсы используются в интерактивных обучающих программах (например, Yousician, Synthesia) для анализа игры на клавишных инструментах и гитаре. MIDI-данные позволяют оценить точность попадания в ноты и ритм.

Синхронизация оборудования

MIDI Clock (тактовые импульсы) позволяет синхронизировать несколько устройств (секвенсоры, драм-машины, эффекты) по темпу. Это особенно важно в студийной работе и при живых выступлениях.

Интерактивные инсталляции

MIDI используется в художественных инсталляциях, робототехнике и игровых автоматах для управления звуком, светом и движением. Например, MIDI-контроллеры могут управлять механическими пианино или светодиодными матрицами.

Критика и ограничения

• Низкая скорость передачи — 31,25 кбит/с может вызывать задержки (latency) при большом количестве одновременных событий (например, в оркестровых аранжировках). В современных системах эта проблема решается использованием USB-MIDI или Ethernet-MIDI.
• Отсутствие аудиоданных — MIDI не передаёт тембр, а только команды, поэтому качество звука зависит от синтезатора или семплера. Один и тот же MIDI-файл может звучать по-разному на разных устройствах.
• Ограниченная полифония — старые синтезаторы могли воспроизводить только 8–16 голосов одновременно, что ограничивало сложность аранжировок. Современные устройства поддерживают до 128 голосов и более.
• Сложность настройки — для корректной работы MIDI-системы требуется правильное конфигурирование каналов, контроллеров и маршрутизации, что может быть сложно для новичков.

Интересные факты

• Первый MIDI-синтезатор Sequential Circuits Prophet-600 имел только 5-контактный разъём, но не поддерживал приём данных по каналу — он мог только передавать. Полноценная двусторонняя связь появилась позже.
• Стандарт MIDI изначально разрабатывался для синтезаторов, но впоследствии был адаптирован для управления световым оборудованием (DMX-контроллеры через MIDI), видеопроекторами и даже роботизированными пианино.
• В 2013 году компания Apple выпустила iPad-приложение GarageBand, которое поддерживает MIDI-контроллеры, что сделало MIDI доступным для мобильных музыкантов.
• MIDI-файлы используются в компьютерных играх (например, в серии Doom) для фоновой музыки, так как они занимают мало места и легко синхронизируются с игровыми событиями.

Источники

• MIDI Manufacturers Association (MMA). MIDI 1.0 Detailed Specification. 1996.
• Smith, Dave. The MIDI Standard: A History. Sequential Circuits, 1983.
• Roads, Curtis. The Computer Music Tutorial. MIT Press, 1996.
• Гарретт, Дэвид. MIDI: The Complete Reference. McGraw-Hill, 1992.
• Официальный сайт MIDI Association (midi.org).