使用CoreMIDI从ObjC中的MIDI时钟计算准确的BPM

Question

我在接收MIDI时钟计算准确的BPM时遇到了一些麻烦(在我的测试中使用Ableton Live发送MIDI时钟).

我正在使用Pete Goodliffe的CoreMIDI和PGMidi.

在PGMidi lib中,有一种方法在接收MIDI消息时调用.从doc开始,这是从高优先级的后台线程发生的.

这是我当前用于计算BPM的实现

double BPM;
double currentClockInterval;
uint64_t startClockTime;

- (void) midiSource:(PGMidiSource*)input midiReceived:(const MIDIPacketList *)packetList
{
    [self onTick:nil];

    MIDIPacket  *packet = MIDIPacketListInit((MIDIPacketList*)packetList);
    int statusByte = packet->data[0];
    int status = statusByte >= 0xf0 ? statusByte : statusByte >> 4 << 4;

    switch (status) {
        case 0xb0: //cc
                   //NSLog(@"CC working!");
            break;
        case 0x90: // Note on, etc...
                   //NSLog(@"Note on/off working!");
            break;
        case 0xf8: // Clock tick


            if (startClockTime != 0)
            {
                uint64_t currentClockTime = mach_absolute_time();
                currentClockInterval = convertTimeInMilliseconds(currentClockTime - startClockTime);

                BPM = (1000 / currentClockInterval / 24) * 60;

                dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
                    NSLog(@"BPM: %f",BPM);
                });

            }

            startClockTime = mach_absolute_time();

            break;
    }
}

uint64_t convertTimeInMilliseconds(uint64_t time)
{
    const int64_t kOneMillion = 1000 * 1000;
    static mach_timebase_info_data_t s_timebase_info;

    if (s_timebase_info.denom == 0) {
        (void) mach_timebase_info(&s_timebase_info);
    }

    // mach_absolute_time() returns billionth of seconds,
    // so divide by one million to get milliseconds
    return (uint64_t)((time * s_timebase_info.numer) / (kOneMillion * s_timebase_info.denom));
}

但由于某些原因,计算出的BPM并不准确.当我的Ableton现场发送一个BPM低于70它是好的,但更多的我送更高的BPM不太准确它是例子:

• 在现场设置69 BPM给我69.44444
• 100 - > 104.16666666
• 150 - > 156.250
• 255 - > 277.7777777

有人可以帮我这个吗？我相信我可能没有使用好的策略来计算BPM.我首先使用mach_absolute_time()计算每个midi时钟之间经过的时间.

谢谢你的帮助!

UPDATE

在Kurt回答之后,这是一个更加准确的例程,适用于iOS(因为我没有使用CoreAudio/HostTime.h,它仅在OSX上可用)

double currentClockTime;
double previousClockTime;

- (void) midiSource:(PGMidiSource*)input midiReceived:(const MIDIPacketList *)packetList
{
    MIDIPacket *packet = (MIDIPacket*)&packetList->packet[0];
    for (int i = 0; i < packetList->numPackets; ++i)
    {

        int statusByte = packet->data[0];
        int status = statusByte >= 0xf0 ? statusByte : statusByte & 0xF0;

        if(status == 0xf8)
        {
            previousClockTime = currentClockTime;
            currentClockTime = packet->timeStamp;

            if(previousClockTime > 0 && currentClockTime > 0)
            {
                double intervalInNanoseconds = convertTimeInNanoseconds(currentClockTime-previousClockTime);
                BPM = (1000000 / intervalInNanoseconds / 24) * 60;
            }
        }

        packet = MIDIPacketNext(packet);
    }

    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"BPM: %f",BPM);
    });
}

uint64_t convertTimeInNanoseconds(uint64_t time)
{
    const int64_t kOneThousand = 1000;
    static mach_timebase_info_data_t s_timebase_info;

    if (s_timebase_info.denom == 0)
    {
        (void) mach_timebase_info(&s_timebase_info);
    }

    // mach_absolute_time() returns billionth of seconds,
    // so divide by one thousand to get nanoseconds
    return (uint64_t)((time * s_timebase_info.numer) / (kOneThousand * s_timebase_info.denom));
}

正如你所看到的,我现在依赖于MidiPacket timeStamp而不是mach_absolute_time(),这可能是一个不定的数量.而不是使用毫秒进行我的BPM计算,我现在使用纳秒来获得更好的准确性.

通过这个例程,我现在得到了更准确的东西,但它仍然低于150的BPM的一小部分,并且在非常高的BPM(例如> 400 BPM)下可以达到10 BPM:

• 将主机设置为100 BPM给我100.401606
• 150 BPM - > 149.700599~150.602410
• 255 BPM - > 255.102041~257.731959
• 411 BPM - > 409.836066~416.666667

还有什么需要考虑才能获得更准确的东西吗？

谢谢你的帮助Kurt!很有帮助 !

更新2

我分叉了PGMidi并添加了一些功能,如BPM计算和量化.回购在这里https://github.com/yderidde/PGMidi

我相信它可以被优化以更准确.此外,量化程序并不完美...所以,如果有人在我的代码中看到一些错误或有建议使整个事情更稳定/准确,请告诉我!

Answer 1

这里有一些错误，其中一些比其他错误更重要。

最重要的是：您正在使用整数毫秒，这不够精确，无法获得准确的节拍/分钟。我们以 120 次/分钟为例。在 120 次/分钟和 24 个时钟/节拍时，每个时钟到达时间为 20.833 毫秒。由于您计算的是整数毫秒，因此看起来是 20 或 21 毫秒。当您进行数学运算（使用双倍！）返回 BPM 时，您会得到 125 次/分钟或 119.0476 次/分钟。两者都不是您所期望的。

如果您使用积分微秒或纳秒进行数学计算，您将获得更准确的值。我建议使用AudioConvertHostTimeToNanos()中定义的 来<CoreAudio/HostTime.h>将 a 转换MIDITimeStamp为纳秒整数，然后转换为double并从那里开始。你不应该使用mach_timebase_info自己。

还：

• MIDIPackets 有一个timeStamp值来标记它们何时被接收。CoreAudio 费了很大的劲才给你这个时间戳，所以使用它吧！

  不要依赖对 的调用mach_absolute_time()，该调用稍后会出现不一致的时间，具体取决于您无法控制的许多因素。

• 别打电话MIDIPacketListInit。

  要迭代 中的每个MIDIPacket，MIDIPacketList请直接使用以下代码MIDIServices.h：

  MIDIPacket *packet = &packetList->packet[0];
  for (int i = 0; i < packetList->numPackets; ++i) {
      /* your code to use the packet goes here */
      packet = MIDIPacketNext(packet);
  }
  

• statusByte >> 4 << 4看着很痛苦。你的意思是statusByte & 0xF0。