用Python编程制作一段简单的音乐（I）
前言
对于一些不会写词的业余音乐爱好者来说，可能某一天突然产生了灵感想到一段旋律，然后用一些作曲软件把这段旋律记录下来，然后找一个常见的和弦走向，然后加上两条伴奏和鼓点，再做一些简单的混音。这样，一段“还凑活，听得下去”的音乐就出来了。
我们在编程制作一段音乐的时候，也可以模仿业余爱好者的步骤，将整个流程分成如下五个部分。
- 使用适当的模块来生成一段音符
- 让程序生成一段规则的音符，能称得上“主旋律”
- 给这段主旋律添加一系列和弦
- 给这段主旋律添加一段伴奏
- 优化程序生成的音乐
这里，我将用几篇文章来介绍如何使用Python编程制作一段简单的音乐。从随机生成一段杂乱无章的音符，到生成一段“还凑活，听得下去”的音乐。
这个编程制作音乐的流程中暂时不包括作词、配器、混音等，只包括了最简单的几个制作步骤
本系列文章所使用的编程环境为Python 3.6，相关代码在https://github.com/HaloOrangeWang/NoiseMaker/blob/master/Routines/P1/main.py
一、通过程序输出音频的概述
通过程序将一段乐谱并输出成音频时，通常需要先将乐谱保存为midi格式，再根据需求转化为其他格式的音频。因为midi格式存储的是音符、控制指令等信息。相比于其他常见的音频格式，如wav、mp3、ogg等，它和原始乐谱更为贴近。
但是，midi文件的格式较为复杂，直接通过程序将一段音符输出为midi格式存在一定的困难。因此，我们考虑使用现成的模块来完成这个任务。
我使用的midi文件生成的模块是“mido”（版本1.2.8）。
这个库的安装很简单，直接在命令行中输入 pip3 install mido 或 python3 -m pip install mido 即可。
二、通过程序生成一个音符
下面这段Python代码实现了生成一个长度为1拍、音量为75%的中央C音符的功能，并将它以mid文件的形式输出。
import mido
mid = mido.MidiFile()
track = mido.MidiTrack()
mid.tracks.append(track)
track.append(mido.Message('note_on', note=60, velocity=96, time=0))
track.append(mido.Message('note_off', note=60, velocity=96, time=480))
mid.save('a1.mid')
在这段代码中，为mid对象添加一个音符的操作是在 mido.Message('note_on', <......>) 和 mido.Message('note_off', <......>) 这两行实现的。值得说明的是这个 Message 函数的几个参数
-
type这个参数确定信号的类型。其中note_on表示一个音符的开始，note_off表示一个音符的结束。 -
note这个参数确定音符的音高。60代表中央C，每增加12，音高升高一个八度。 -
velocity这个参数确定音符的音量。0表示静音，127表示最大音量。 -
time这个参数确定消息所在的时间。这个时间以tick为单位，而在mido的默认配置中，1拍中有480个tick。所以要想生成一个长度为1拍的音符，应该设置其time值为480，而不是1。- 每条消息中，time值的含义是这条消息与上一条消息的时间差，而不是一条消息在乐曲中的绝对时间。
- 想要获取每拍中tick的数量，可以通过
print(mid.ticks_per_beat)来实现。 - 上面的
mid.ticks_per_beat值可以更改。
我们可以用FL Studio等包含midi编辑功能的软件打开这个mid文件，从而看到程序的输出效果。
三、调节配置
一个完整的乐谱中，除了有音符组合以外，还应该有一些整体的控制信息，如速度（bpm）、歌名、音色等。这些信息可以通过输入如下代码在程序中进行配置。
- 设置音色
- 设置一个音轨的音色的代码是
track.append(mido.Message('program_change', program=1, time=0))。 其中，program这个参数确定了这个音轨的音色。 - 如果想要知道
program的值和具体乐器的对照关系，可以自行搜索“midi音色表”。 - 除了打击乐通道以外，音色的默认值为Piano 1。
- 设置速度
- 设置乐曲速度的代码是
track.append(mido.MetaMessage('set_tempo', tempo=500000, time=0))。其中，tempo这个参数确定了乐曲的速度。 -
tempo值的含义是每一拍为多少微秒。500000表示每一拍为0.5秒，即每分钟120拍。bpm和tempo的关系为
bpm = \frac{60000000}{tempo}
- 设置音轨名称
- 设置音轨名称的代码为
track.append(mido.MetaMessage('track_name', name='Piano', time=0))。其中，name这个参数确定了音轨的名称。
四、随机生成一段音符
下面这段Python代码实现的功能是生成长度为16拍的大钢琴。音高和音量都是随机的。
import mido
import random
pitch_list = [[] for t0 in range(32)] # 每个半拍所有音符的音高
vel_list = [[] for t1 in range(32)] # 每个半拍所有音符的音量
# 随机确定每个半拍的音量和音高
for i in range(32):
note_num = random.randint(0, 3)
while True:
pitch_list[i] = [random.randint(60, 84) for t2 in range(note_num)]
vel_list[i] = [random.randint(64, 100) for t3 in range(note_num)]
if len(pitch_list[i]) == len(set(pitch_list[i])): # 同一时间音符的音高不能重合
break
mid = mido.MidiFile()
track = mido.MidiTrack()
mid.tracks.append(track)
track.append(mido.MetaMessage('set_tempo', tempo=500000, time=0))
track.append(mido.MetaMessage('track_name', name='Piano 1', time=0))
track.append(mido.Message('program_change', program=1, time=0)) # 这个音轨使用的乐器
current_beat = 0
for i in range(32):
# 添加这个半拍所有音符的开始
for note in range(len(pitch_list[i])):
note_beat = i * 0.5
track.append(mido.Message('note_on', note=pitch_list[i][note], velocity=vel_list[i][note],
time=round(480 * (note_beat - current_beat))))
current_beat = note_beat
# 添加这个半拍所有音符的终止
for note in range(len(pitch_list[i])):
note_beat = i * 0.5 + 0.4
track.append(mido.Message('note_off', note=pitch_list[i][note], velocity=vel_list[i][note],
time=round(480 * (note_beat - current_beat))))
current_beat = note_beat
mid.save('test.mid')
值得注意的是
- 在
mido.Message中，time值的含义这条消息与上一条消息的时间差。所以我们在程序中，需要将每个音符的起止点在乐谱中的时间，转化为相邻两个音符的时间差。 -
time参数的值必须为整数，所以我们需要对时间进行取整。建议用round方法进行取整，不要使用int。
这段音符用FL Studio打开的效果如下
至此，我们介绍了如何通过程序生成一段音符，并修改这段音符的音色、速度。但是用本文的方法，你只能通过程序生成一段杂乱无章的音符，还不能称得上是一段音乐。
至于如何通过程序生成一段有序的音符，能够勉强称得上是一段”旋律”，请看下篇。
（未完待续）
