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Padrão Midi Marco Aurélio Botelho da Silva Engenharia de Telecomunicações – Universidade Federal Fluminense (UFF) Departamento de Engenharia de Telecomunicações – TET E-mail: [email protected] Resumo. O objetivo desta pesquisa é apresentar um estudo mais aprofundado sobre o padrão Midi, suas técnicas de trabalho, demonstrar alguns sistemas midi e seus respectivos funcionamentos. O texto aborda a Inicialização de um sistema Midi, componentes do sistema, transmissão, formatos, instalação (cabos, conectores, jacks, etc.), canais Midi e patchbays Midi, General Midi, padrões GS e XG, controladores, geradores de sons e superfícies de controle, Hardwares e diferentes interfaces Midi, software para a utilização do padrão Midi, drives e extensões.

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  • Padro Midi

    Marco Aurlio Botelho da Silva

    Engenharia de Telecomunicaes Universidade Federal Fluminense (UFF) Departamento de Engenharia de Telecomunicaes TET

    E-mail: [email protected]

    Resumo. O objetivo desta pesquisa apresentar um estudo mais aprofundado sobre o padro Midi, suas tcnicas de trabalho, demonstrar alguns sistemas midi e seus respectivos funcionamentos. O texto aborda a Inicializao de um sistema Midi, componentes do sistema, transmisso, formatos, instalao (cabos, conectores, jacks, etc.), canais Midi e patchbays Midi, General Midi, padres GS e XG, controladores, geradores de sons e superfcies de controle, Hardwares e diferentes interfaces Midi, software para a utilizao do padro Midi, drives e extenses.

  • 1. Introduo O desenvolvimento do padro Midi ocorreu devido a uma necessidade de se criar um padro de comunicao entre instrumentos musicais e computadores, atravs de uma linguagem comum. Podemos definir Midi como um padro, um protocolo ou ainda uma linguagem com uma lista de especificaes a serem seguidas para seu funcionamento. Essas especificaes nos permitem identificar como as informaes, de udio so transmitidas e tambm o que transmitido, atravs de vrios softwares e hardwares.

    Na dcada de 70, instrumentos monofnicos somente eram interligados atravs de cabos conectados entre si. Com o desenvolvimento de instrumentos polifnicos, diferentes tipos de sons podiam ser tocados do mesmo sintetizador e para que isso fosse possvel uma srie de conexes era necessria [2].

    Na dcada de 80, durante uma feira de exposio, dois fundadores das duas maiores empresas do mercado (Dave Smith Seqencial in the USA e Ikutaro Kakehashi Roland Corporation) comearam a desenvolver um caminho de comunicao entre diversos instrumentos, sendo que cada um tinha um objetivo distinto no que diz respeito ao equipamento final. Apesar das divergncias, ambos decidiram trabalhar juntos nesse protocolo que chamaram de UMI Universal Musical Instrument.

    Outras empresas (Yamaha, Oberheim, Arp, Moog), adotaram o padro a partir de 1983 e comearam a desenvolver equipamentos compatveis. A Roland, nesta mesma poca, j lanava no mercado seu primeiro Midi-compatible Instrument [1]. O padro Midi Musical instrument digital interface pode ser dividido em trs partes: linguagem de comunicao, hardware, interfaces para transmisso e recepo de informao e o formato em que isso feito. O nome desse formato Midi files.

    O objetivo desta pesquisa apresentar um estudo sobre o padro Midi e suas tcnicas de trabalho, demonstrar alguns sistemas Midi e seus respectivos funcionamentos. O texto aborda um sistema Midi, os componentes do sistema, transmisso, formatos, instalao (cabos, conectores, etc...), canais Midi e patchbays Midi, padres existentes, controladores, geradores Midi, superfcies de controle, hardwares e interfaces Midi, softwares (drives e extenses) para a utilizao do padro Midi.

    2. Transmisso Midi Fundamentalmente, a linguagem musical Midi feita de uma forma binria, na qual cada palavra binria descreve um evento da performance musical. Cada mensagem Midi no contm o som do instrumento, mas sim a durao de cada nota tocada. Geralmente utilizamos o teclado para esse tipo de informao ON e OFF. O padro Midi utiliza um protocolo de transmisso serial. A quantidade de dados deve ser enviada depende da capacidade fsica dos cabos e da velocidade de cada dispositivo [4]. Esse tipo de transmisso envia pedaos de informao passo a passo, e seu custo baixo foi determinante no incio.

  • Com o avano da tecnologia muitas coisas mudaram, temos hoje qualidade e velocidade de transmisso muito superior, mas, para manter uma compatibilidade com todos os dispositivos antigos, nada foi alterado desde ento.

    2.1. Conectores Midi Cada conector Midi tem 5 pinos DIN. Podemos encontrar plugs machos, fmeas e painel com facilidade no mercado.

    Figura 1. conectores Midi Fmea

    Figura 2. Conector Midi Macho

    Como podemos ver nas figuras 1 e 2 os tipos de conectores. Uma informao interessante que apesar dos conectores terem 5 pinos nem todos so utilizados na montagem dos cabos [4].

  • Como o tipo de informao serial, no podemos esquecer que toda a informao feita por uma nica via; assim, a preocupao com o tamanho do cabo necessria para que no haja perdas de informao. O tamanho mximo permitido de 15 metros (50 ps).

    As informaes Midi so enviadas a uma razo de 32,250 bps e esta velocidade chamada de baud rate.

    Numa transmisso serial cada bit enviado por vez, cada byte enviado contem 8 bits de informao e 2 bits para correo de erro [5].

    2.2. Formatos de arquivos Midi Midi prov arquivos em formato Midi files [6] e estes permitem a reproduo em qualquer equipamento (instrumento) que suporte o padro.

    Podemos ainda configurar um nico controlador Midi enviando informaes para vrios receptores (mdulos) simultaneamente. Esse tipo de ligao chama-se Daisy-Chaining. Essa configurao permite que mltiplos sons sejam disparados para mltiplos mdulos em uma performance ao vivo. Fazemos uma interconexo interna digital, para que cada mdulo receba seu respectivo som e o reproduza com fidelidade [4]. Independente da quantidade de diferentes sons que o sintetizador, sampler ou mdulo possua, pode-se acessar um som por vez por canal Midi selecionado. E este som selecionado diretamente no equipamento. Caso haja necessidade de reproduzir mais de um canal Midi simultaneamente, podemos referenciar o equipamento para multi-trimbral. Este permite que diferentes sons sejam selecionados para diferentes instrumentos, associando um canal Midi para cada canal desejado. Multi-timbral como se houvesse vrios msicos tocando diferentes tipos de instrumentos ao mesmo tempo.

    Figura 3. Conexo Midi In, Out e Thru

  • Como podemos ver na figura 3, temos dois teclados interligados entre si e sendo controlados pelo mesmo controlador. Esse redirecionamento interno entre os instrumentos s possvel quando se utilizam conexes Midi.

    Utilizamos a sada do controlador para ligar no primeiro instrumento, e utilizamos uma porta Midi chamada Thru para que outro instrumento possa ser interligado ao sistema.

    Existem duas desvantagens ao utilizarmos Daisy-Chain [4]:

    Nmero limitado de ligaes que podem ser feitas no mximo 3. Quando se est utilizando um computador para gerar informaes Midi e temos neste um setup de equipamentos, somente conseguimos gravar informao Midi de volta para o computador referente ao primeiro interligado. Se necessitarmos gravar de outro temos que mover os cabos de ligao para o equipamento desejado.

    Pode-se resolver o problema de portas Midi no computador [6] utilizando adaptadores USB ou de porta serial para Midi, como ilustrado na figura 4.

    Figura 4. Adaptadores Midi

    2.3. Portas, Buses e patchbays Midi Depois que conhecemos o nome das conexes, podemos definir o conceito de portas, buses e patchbays.

    As conexes fsicas so: Midi In, Out e Thru. Esse conjunto de trs jacks pode ser definido como portas Midi ou buses Midi. por esses conectores que toda a informao Midi sai do equipamento. Veja um tipo de ligao na figura 5.

  • Figura 5. Interligao de um sistema Midi

    O teclado funciona como um controlador do sistema, ou seja, ele enviar para o mdulo informaes Midi para que este toque um determinado som especfico [3]. Uma vez que o som tocado no controlador, as informaes Midi so enviadas para o mdulo de som desejado, este mdulo recebe estas informaes e direciona para a sada o som selecionado. Para que possamos ouvir o udio, este interligado numa mesa de som (mixer), para que se possa tocar nas caixas de som. Podemos ter o som especfico do teclado junto com o mdulo.

    2.4. General Midi e arquivos Midi padronizados Para a utilizao de sistemas multi-timbral, necessitamos ter dentro do padro Midi um gerenciamento interno, para que no haja troca de execues e informaes entre o sistema. Isso chama-se padro de encaminhamento (patch), e o nome designado foi General Midi. Alm disso, temos patches de timbres, bancos de sons, etc. [4] Outras funes esto relacionadas a seguir:

    Padronizao dos patches de sintetizadores. 128 timbres (patches) divididos em 16 famlias de 8 instrumentos. Patches alterados pela mensagem de Program Change. Suporte multi-timbral: os 16 canais MIDI podem enviar eventos simultaneamente, cada um com um timbre diferente.

    Banks para sintetizadores com mais de 128 patches. Especificamos esse padro de encaminhamento pela figura 6.

    Figura 6. Padro de General Midi

  • Podemos ainda ter extenses do padro General Midi. Quando apareceu no mercado algumas empresas achavam que o banco de sons era limitado. Acreditava-se tambm que no era oferecido um controle sobre os sons via Midi.

    Duas empresas resolveram colocar no mercado suas verses de GM, ambas sendo extenses do padro GM superdimensionado. [4]

    Os padres GS oferecido pela Roland Coorp. e XG oferecido pela Yamaha apresentavam total compatibilidade com o padro GM, com um banco de sons muito superior e com maior controle sobre seus parmetros. Algumas tabelas de sons esto disponveis no apndice A [4].

    O padro GS oferece um maior controle sobre os parmetros Midi e um banco de sons muito superior ao padro principal GM. Os programas so mapeados e divididos em 128 sons de 8 famlias diferentes. Neste padro, se o mdulo recebe um banco de sons ou um nmero de combinaes que no existe, este pode ser escrito e salvo na memria. Assim vrios sons podem ser criados e somados aos bancos j existentes.

    O padro XS possui um banco de sons de aproximadamente 480 sons ao invs de 128, como o padro principal GM, e pode ter um suporte de upgrade para 2 milhes de sons. O endereamento desses sons feito usando um controle de nmeros de 0 a 32 (bancos selecionam controladores mais significativos MSB ou menos significatovos LSB), possibilitando que se escolha um programa ou um banco de som dentro desta grande quantidade disponvel.

    3. Tipos de Hardware Midi Neste tpico podemos enfatizar dois tipos de hardware que so utilizados em estdios de pequeno e de grande porte. Temos equipamentos que funcionam como geradores de sons (sintetizadores), controladores Midi, superfcies de controle, efeitos digitais e workstations digitais (DAW) [5]. 3.1. Geradores de sons Midi Geradores de sons, como o prprio nome j diz, servem para produzir uma variedade de sons. Os sons so produzidos utilizando osciladores, amplificadores, controladores de voltagem e filtros. Alguns utilizam formas de onda de instrumentos especficos para reproduzir sons sintetizados com esse timbre. Esses sons so conseguidos atravs de combinaes entre os osciladores, amplificadores e filtros, e a forma de onda como, por exemplo: Samplers, Drum machines, Workstations.

    3.2. Controladores Midi Como diferentes tipos de tecnologia podem ser utilizados na gerao dos sons, foi necessria a construo de equipamentos controladores para o armazenamento desses bancos de sons. Assim o operador escolhe que som ser reproduzido e/ou a seqncia que ser executada.

  • Podemos ter um mesmo equipamento executando duas funes [4], ou seja, gerando sons e armazenando-os. Estamos falando, por exemplo, de instrumentos musicais que contm mdulos de sons. Estes so utilizados para tocar, mas se for necessrio fazer uma atualizao do banco de sons, pode-se faz-lo sem maiores problemas.

    Veja na figura 7 que a bateria contm um mdulo de sons para que se possam ter diferentes sons de bateria, que podem ser modificados de acordo com a necessidade.

    Figura 7. Bateria Midi

    3.3 Superfcie de Controle Midi Superfcie de controle mais uma aplicao onde se pode utilizar o padro Midi. Atravs do Midi podemos controlar diversas funes como automao, botes e faders.

    As maiorias das superfcies de controle utilizadas em estdio podem ser interligadas via Midi. Essa ligao permite que se faa um back-up de todas as suas automaes (faders, volume, pan, etc...). Uma vez que estas informaes de automao esto salvas, podemos interligar outro controlador via Midi para executar essas informaes [6].

    Podemos ainda mencionar os controladores que funcionam via Midi com os computadores (workstation). Os controladores simulam exatamente o que est sendo executado no programa (computador) [4], permitindo um melhor manuseio.

    Todo o sistema da figura 8 operado via mouse, o que dificulta que muitas operaes sejam executadas.

  • Figura 8. Sistema Midi com workstation

    4. Workstations Digitais DAW Workstation Digitais so sistemas que utilizam o computador para a gravao de udio [3]. Esses tipos de gravao so feitos em um disco rgido que pode ser interno ou externo. No aconselhvel utilizar o interno pelo fato de ele conter todos os softwares de gerenciamento do computador. Podemos definir workstation como um sistema que contm interfaces que transformam o udio analgico em digital e este gravado em um disco rgido. Este udio digital gravado pode ser editado e mixado dentro da DAW.

    O sistema Pro Tools (fabricado pela empresa Digidesign [7]) um exemplo de DAW. Este possui um software para a gravao do udio e um hardware dedicado para a converso analgica-digital.

    Outros equipamentos como pr-amplificador (operado via Midi), superfcies de controle e interfaces Midi so desenvolvidos por esta empresa para a utilizao em conjunto com o sistema DAW. Com o aparecimento das DWAs, empresas que desenvolviam equipamentos analgicos especficos para a gravao e mixagem de udio em estdios, foram desenvolvendo estes na forma de softwares. Estes so adicionados ao sistema DAW para trabalhar em conjunto com o Pro Tools.

    A figura 9 ilustra uma demonstrao de um canal Midi em uma sesso de gravao no software Pro Tools.

  • Figura 9. Canal Midi no software Pro Tools

    Outra forma de visualizar um canal Midi no sistema Pro Tools est apresentado na figura 10.

    Figura 10. Canal Midi no software Pro Tools

    5. Utilizando Midi no computador Uma Midi interface tem cinco maneiras de ser conectada em um computador [3]. Seguem abaixo descries detalhadas:

    USB (Universal Serial Bus) USB um tipo de conexo comum tanto para PC como para Macintosh. Esse tipo de conexo plug-and-play, sendo necessrio somente que o drive seja instalado ou feito um download via web.

  • Fire Wire conhecido como IEEE 1394, uma conexo desenvolvida pela Macintosh. Fire Wire no utilizada para ligar interfaces Midi, porque a velocidade de transmisso seria fatal para as informaes Midi.

    PCI cards PCI cards so placas conectadas na placa me do computador. Conexo paralela utilizada em sistemas PCs antigos. Portas para joystick. Conexo serial utilizada em sistemas Macintosh antigos. Com a tecnologia o barramento serial dos computadores Macintosh desapareceu.

    Na figura 11 vemos os tipos de conexo USB .

    Figura 11. Conexo USB

    6. Instrumentos virtuais Instrumento virtual uma aplicao de simulao de um hardware Midi, ou seja, podemos ter um equipamento especfico como um software ou um que simule um equipamento qualquer [4 e 6]. O instrumento virtual utiliza o processamento do computador para todas as operaes que sero efetuadas.

    Veja na figura 12 alguns instrumentos Midi que, ao serem tocados, geram notas Midi. Esses equipamentos funcionam como controladores, pois geram notas e estas podem ser gravadas no computador.

  • Figura 12. Instrumentos virtuais

    Na figura 13 temos um exemplo de instrumento virtual.

    Figura 13. Instrumentos virtuais

  • 7. Tecnologia Re-Wire Re-Wire uma tecnologia desenvolvida por Steinberg and Propellerhead Software, que permite conectar diferentes softwares juntos utilizando udio virtual e cabos Midi [4].

    Ativando canais Re-Wire voc faz o caminho virtual da sada de udio de outro software Re-Wire compatvel.

    Entre os equipamentos Re-Wire [4 e 6] existe um sincronismo das funes de play, stop, rewind, fast foward e record, ou seja, quando se aciona o play todas as conexes Re-Wire comeam a tocar simultaneamente em sincronismo com a master Midi, gerando o tempo de execuo.

    8. Concluso O desenvolvimento do padro Midi foi fundamental para a evoluo da produo, composio e finalizao dos projetos musicais. Sendo possvel a criao de sons, facilidade de interconexo entre os equipamentos, automao e armazenamento dessas informaes, o tempo de uma produo foi diminudo, barateando o custo total do projeto final.

    A utilizao de computadores e gravao em disco rgido foi um fator predominante para a criao das Wokstations digitais. Elas possibilitaram que a gravao de um disco fosse feita de vrios lugares distintos. Uma produo poderia comear dentro da casa do cliente, onde ocorreria toda a pr-produo, antes do incio no estdio.

    Com relao gravao em computador, o Midi tem uma participao fundamental em todo sistema, pois vrios softwares que trabalham em background com o sistema so interconectados via Midi.

    O melhor software de gravao em disco rgido foi desenvolvido pela empresa Digidesign (Pro Tools), este abrange todas as partes necessrias de uma gravao, incluindo a parte Midi. Temos softwares exclusivos desenvolvidos por outra empresa especializada em Midi chamada Imagic (Logic), que foi recentemente comprada pela Apple. Um fator contra a falta de um hardware para fazer a entrada e sada do sistema. Toda a preocupao foi direcionada para o desenvolvimento do software.

    A Digidesign desenvolve seus prprios hardwares e softwares. Tambm trabalha em parceria com outras empresas, para o desenvolvimento de softwares que funcionam junto com o Pro Tools.

    O Midi proporcionou o desenvolvimento da tecnologia Re-Wire. Um sistema inteiro pode ser montado virtualmente e interligado de maneira fcil. O salvar a configurao utilizada, trazer o sistema para o recomeo da sesso, ou utilizar este como base para o incio de uma sesso nova, foi muito simplificado.

    Outro item para o qual o padro Midi foi essencial a utilizao de superfcie de controle e suas automaes. Foi o Midi o primeiro a permitir que uma console (mixer) controlasse um software em um computador. Hoje temos diferentes tipos de conexes com uma alta velocidade como a Ethernet. Esta reproduz quase que em tempo real todas as funes executadas.

  • Uma desvantagem de se utilizar Midi para superfcies de controle que, por ser uma transmisso serial, quando se tem muita informao encaminhada, a comunicao fica lenta. Podemos formatar modos de utilizao do sistema e separar em etapas o funcionamento. Podem-se fazer todos os controles de uma funo (ex: controle de volume dos canais) ao mesmo tempo. Isso faz com que essas informaes sejam enviadas de uma s vez, facilitando a execuo na superfcie de controle.

    Empresas que desenvolvem consoles (mixers) de alta tecnologia, e tm uma preferncia de utilizao pelo padro Midi, utilizam diversas portas para fazer a comunicao com o computador. Isso diminui o tempo de atraso de informao.

  • 9. Apndice: tabelas de sons General Midi

  • 10. Referncias Bibliogrficas [1] Holman, Tomlinson (2000) 5.1 Surround Sound Introduo ao udio Digital,

    Focal Press.

    [2] Pohlmann, Ken C. (1989) Principles of Digital Audio - Second Edition, Howard W.Sams & Company, Audio Library.

    [3] Vianna, Edu (2004) Manual Pro Tools 6.0 LE Gravao, Edio e Mixagem, Editora udio Musica e Tecnologia.

    [4] Gurin, Robert (2001) Midi Power - The comprehensive Guide, Thompson Course Technology.

    [5] Brazil, Vinicius (2002) Tpicos do Mundo Digital, artigo apresentado no Congresso AES Brasil em outubro de 2002.

    [6] Anderton, Craig (1986) MIDI for Musicians, Music Sales.

    [7] http://www.digidesign.com