DE102009014655A1

DE102009014655A1 - Musical instruments digital interface data interpolation method for e.g. piano, involves interpolating intermediate values between discrete data values arriving sequentially at arbitrary time under influence of frequency size, by filter

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

The method involves extraction of digital data values (Dt), sent under a channel number, addressed to a controller and provided to control a musical parameter, from a serial musical instruments digital interface (MIDI) data stream (SMD) at a MIDI-interface input (2), by a MIDI extractor (3). Event information (EIt) is extracted from the MIDI data stream. Intermediate values are interpolated between the discrete data values arriving sequentially at arbitrary times under the influence of frequency size (Ht), by an interpolation filter (5).

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.The present invention 1 ( 1 ) refers to the interpolation of MIDI (Musical Instrument Digital Interface) data in MIDI controllable electronic musical instruments and signal processing equipment.

Stand der Technik:State of the art:

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.MIDI Data are used to control parameters that z. B. the sound of a affect synthesized sounds in a certain way. For example, one from the device received MIDI date directly affects the duration of the decay phase of a synthetically produced ailing piano string. The MIDI data itself serve only to control processes, the again of independent Sound modules are processed.

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.Because MIDI data binary When bits are sent in data packets, they can either be from one Microprocessor be processed so that they directly into the Intervene algorithms of digital tone generation or with digital-to-analog converters into control voltage values for controlling analog sound generator or signal processing systems are converted. In both cases will be this data as a direct-acting control data for influencing Sound parameters used.

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.by virtue of the low bit rate of 32500 Hz in data transmission is the area of application strong limited and therefore only for static or very slow modulations suitable. One complete MIDI date consists of a status byte and two bytes of data, each including a start and a stop bit together. With that, except for a few special cases, up to 30 bits are sent at the above transmission rate, before a date can be recognized and processed. from that results in that only at least every 923 μs will receive a MIDI date can. In practice, more data is usually used for "simultaneous" control various parameters sent on a MIDI interface, so that the data rate for each one parameter is still much lower.

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.Out these reasons The MIDI protocol is not suitable for fast generation Modulations in high resolution of sound parameters, since, for example, to go through 128 binary states to preferably continuous control of an amplitude modulator at least approx. 118 ms necessary would be, if no further data in addition would be sent on the MIDI line, what's more can not guarantee.

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.Further is the resolution of a MIDI date, apart from a few special cases, the Also not always supported by all MIDI devices, usually on 7 bit limited, This results in a high degree of complexity of the parameters to be controlled. Especially at pitches or pitch-related Parameters such as kink or resonance frequencies in audio filters is this resolution insufficient and is perceived as disturbing, if a quasi-continuous course as a result of an ongoing MIDI data stream is to be achieved.

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.The present invention 1 is used for the adaptive temporal and spatial interpolation of MIDI data. For this purpose, first the frequency H (t) is determined, with which a certain MIDI datum of value D (t), which is to control a certain musical parameter, and on a certain channel under a certain controller number at the MIDI interface input 2 Will be received. For this purpose, the start, stop and status bits anchored in the MIDI protocol are used, from which the arrival of a new data value D (t) can be derived. The arrival of a new data value D (t) is to be displayed in the form of an event information EI (t). Both the extraction of the data values D (t) and the extraction of the event information EI (t) are effected by means of the MIDI extractor 3 according to the MIDI protocol.

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 werdenNow the time interval at which the event information EI (t) at the MIDI interface input becomes 2 with the help of the frequency evaluation 4 measured. The frequency quantity H (t) is determined solely from the continuously measured time intervals between the consecutive event information EI (t), namely the shape that tends to reduce the time intervals to an increase in the frequency H (t). Any number of event information EI (t) from the past can be used to determine the current frequency quantity H (t)

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.Task of the interpolation filter 5 is the calculation of intermediate values between the consecutive one meeting discrete data values D (t). These can be at irregular intervals on the MIDI interface input 2 arrive. The interpolation filter 5 can consider any number of data values D (t) from the past to calculate these intermediate values. The approximation of the interpolated intermediate values to the current data values D (t) can take place in any desired course.

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.The time constant T of the interpolation filter 5 determines the speed or the course with which the interpolation progresses. This time constant T is controlled as a function of the frequency magnitude H (t) in such a way that an increase in the frequency H (t) tends to lead to a decrease in the time constant T. As a result, the interpolated output function D _I (t) becomes the output 6 of the interpolation filter 5 adapted to the dynamic conditions of the incoming data values so that even large data value jumps, at any time intervals at the MIDI interface input 2 can be made in any finely graded or, in analog data processing, continuous value curves are converted, whereby each stage of the original data values D (t) is eliminated. The control of the time constant T also allows arbitrarily fast running modulation.

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.The relationship described above between the frequency H (t) and the time constant T of the interpolation filter 5 In principle, it presupposes the reasonable assumption that a temporally large distance between two successive data values D (t) has the purpose of actually slow value progression. By the way of the curve, with which this approach happens, an adaptation to the musical circumstances and falsifications can be made. For example, an overshoot in the achievement of the new final value D _I (t) can lead to new and interesting musical results. Any variety of approaches and musical intentions is conceivable here. The interpolation filter 5 could also have high-pass behavior, whereby initially again a sudden change in the data values at the output 6 of the interpolation filter 5 the result would be, but for example, with subsequent decrease to zero or a ringing around the final value.

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.The interpolation filter 5 the present invention 1 Thus, as described above, this is a time varying system. The time variance of this system in plays a crucial role in adapting the interpolation to the frequency with which the MIDI data is input at the MIDI interface 2 and is essential for a possible "distortion-free" mapping of the actual incoming MIDI data.

Ein einfacher Ansatz kann beispielsweise nach Gleichung G1.1 gemacht werden.One simple approach can for example be made according to equation G1.1 become.

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.Here, between temporally successive data values D (t _v ) is linearly interpolated with the time t and indeed the faster, the greater the frequency H (t _v ) at the time t _v . figure 2 illustrates the procedure described here according to equation G1.1. For simplicity, two data values D (t) alternate with one another along the time axis t at different time intervals Δ ₁ and Δ ₂ . The interpolated data values D _I (t) reach the desired end value (asymptote) already after the second change of D (t). This may be because a data value may not have arrived for a long time, and thus may have too large a time constant T of the interpolation filter 5 has set. If the time interval is shortened from Δ ₁ to Δ ₂ for the first time, an interpolation error is first again obtained since the new frequency quantity H (t) can only be determined after the time interval Δ _{2 has} elapsed. The interpolation filter 5 So depends a data value afterwards. In practice, however, this interpolation error is kept small by being able to transmit finer time-sliced data strings, which still need to be of low density to provide fast and continuous or quasi-continuous interpolation courses.

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.The implementation of the invention 1 allows both software solutions in the form of a subroutine as well as digital or analog hardware solutions and any mixture of these approaches.

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11: MIDI InterpolatorMIDI interpolator
22: MIDI-SchnittstelleneingangMIDI interface input
33: MDI-ExtraktorMDI extractor
44: Häufigkeitsauswertungfrequency analysis
55: Interpolationsfilterinterpolation
66: Datenausgang des Interpolationsfiltersdata output of the interpolation filter
SMDSMD: Serieller MIDI-Datenstromserial MIDI data stream
EI(t)EI (t): Ereignisinformationevent information
H(t)H (t): Häufigkeitsgrößefrequency size
D(t)D (t): MIDI-DatenwerteMIDI data values
D_I(t)D _I (t): interpolierte MIDI Datenwerteinterpolated MIDI data values

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D(t)D (t): MIDI-DatenwerteMIDI data values
D_I(t)D _I (t): interpolierte MIDI Datenwerteinterpolated MIDI data values
tt: Zeit entlang der ZeitachseTime along the time axis
Δ₁ Δ ₁: Zeitintervall 1time interval 1
Δ₂ Δ ₂: Zeitintervall 2time interval 2
Asymptoteasymptote: Angestrebter Endwert von D_I(t)Desired end value of D _I (t)

Claims

Method for interpolating MIDI data by means of a device ( 1 ) with interpolation speed adapted to the data stream, comprising the following method steps: extraction of the digital data values (D (t)) sent under a specific channel number and addressed to a specific controller to control a particular musical parameter from the serial MIDI data stream (SMD ) on the MIDI interface input ( 2 ), by means of a MIDI extractor ( 3 ), - extraction of event information (EI (t)) from the MIDI data stream (SMD) indicating that a new digital data value (D (t)) sent under a particular channel number and sent to a specific controller for controlling a certain musical parameter has arrived, by means of a MIDI-excraktor ( 3 ), - determining a frequency quantity (H (t)) that is a measure of the frequency with which the data values (D (t)) sent under a particular channel number and addressed to a particular controller for controlling a particular musical parameter , on the MIDI interface input ( 2 ), by means of a frequency evaluation ( 4 ), Interpolation of any number of intermediate values between the incoming discrete data values (D (t)) consecutive at arbitrary times under the influence of the frequency variable (H (t)), by means of an interpolation filter ( 5 ).

Extraction of the data values (D (t)) according to claim 1, wherein, according to the established MIDI protocol, the data values (D (t)) are read by means of the MIDI extractor ( 3 ) are separated

Extraction of event information (EI (t)) according to claim 1, wherein, according to the established MIDI protocol, the corresponding start-stop and status bits are read by means of the MIDI extractor (16). 3 ) are used to detect a newly transmitted data value (D (t)) and are indicated by an event bit as event information (EI (t)),

A method for determining a frequency (H (t)) according to claim 1 and 3, with the time intervals between successive incoming event information (EI (t)) be measured and derived therefrom a measure of the frequency.

Method for determining a frequency (H (t)) according to claim 1, 3 and 4, wherein the frequency (H (t)) is rated so that these tend to be shorter with intervals between the event information (EI (t)) increases.

A method for determining a frequency (H (t)) according to claim 1 and 3 to 5, where any number of event information (EI (t)) off the past to determine the current frequency quantity (H (t)) can be used.

A method for determining a frequency (H (t)) according to claim 1 and 3 to 6, wherein the measurement of the time intervals between the event information (EI (t)) can be digital or analog.

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to Claims 1 and 2 with the aid of an interpolation filter ( 5 ) with variable time constant (T).

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claim 1, 2 and 8, wherein intermediate values be calculated, which, at any time in time close to each other lying, from the older ones Data values (D (t)) based on the most recent data value (D (t)) in approximate any way.

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claim 1, 2, 8 and 9, wherein any many data values D (t)) from the past for the calculation of a current intermediate value can be used.

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claim 1, 2 and 8 to 10, wherein the Interpolation can be done in a digital or analog way.

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claim 1, 2 and 4 to 11, wherein the Time constant (T), with which the intermediate values are calculated, of the frequency size (H (t)) is controlled.

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claim 1, 2 and 4 to 12, wherein the Time constant (T) tends to decrease with increasing frequency (H (t)).

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claim 1, 2 and 4 to 13, wherein the Increase in the time constant (T) the approximation of the intermediate values slows down the current data value (D (t)).

Method for interpolating intermediate values between the data values (D (t)) according to claims 1, 2 and 4 to 15, wherein after the interpolation of the discrete data values (D (t)) the interpolated data values (D _I (t)) for the intended parameter control in a digital or analog way from the interpolation filter ( 5 ) at the exit ( 6 ) to be provided.