楽器をつくる:簡易midiモジュール制作 [Design Workshop]

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====== はじめに ======
Arduinoで音を鳴らすには様々なやり方が存在します．最もシンプルなものはPWMを利用して正弦波を作成し，直接スピーカーに つなげることで，任意の音高を鳴らすことが可能です．しかしこれは学習用には楽しいものではありますが， プロトタイピングでは少し物足りなく感じます．このページでは任意の音声ファイルをArduinoから再生する方法， さらに読み込んだファイルを基に任意のNoteをMIDIショートメッセージのように再生可能な機能を実現します．

====== 音声ファイルの再生 ======
Arduinoを利用して音声ファイルを再生するにはすでにインターネット上で情報が見つかります．通常490Hzの3,11pinのPwd周期を 16Mhzの場合，最大で約65kHzにし，各サンプリングビッ値自体もduty比で表現するものです．細かい話は説明しませんが， まずは http://highlowtech.org/?p=1963を参照して，サンプルを動作 させてみます．

音声ファイルを再生することはできましたが，それではこれを楽器の様に，任意の音高(Note)，任意の音量(Velocity)で発音させるには どうしたらよいでしょうか？Arduino単体ではFlashメモリが32KBしかなく，ここにデータを保存するやり方では 3秒程度しか音声データを保存できません．ピアノの音域はもちろんのこと，1オクターブさえ表現するこができません．

====== 音声ファイルの音高と音量を制御する ======
普通はここで外部モジュールを利用するなどして，別の解決方法を探りますが，いちいちプロトタイプするのに そんなことするのは煩わしいので，どうにかATMEGA328で数種類の楽器の音量，音高を制御できるようしてみます． すでに音声ファイル再生サンプルがあるので，これを改造して簡単なMIDIクラスを作成します．実際に作成したプログラムが 動作している様子は下記動画で確認してください．音質はよろしくありませんが，木琴，ピアノ，グロッケンの一つの発音データを 基にNote番号55 - 80 までの音を順番に発音させています．

<html>
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/n_8sJXbDtHs" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>
</html>
highlowtechのウェブサイトで紹介されているコードを基に，割り込みタイミングと読み込みデータを動的に 音高，音量を制御しています．オリジナルのPCM.cと見比べるとよく分かるかと思います．

====== ショートメッセージ ======
まずは[[https://www.dropbox.com/home/myarduino/bbSamples/ArduinoAsEasyMIDIModuleSample|サンプルファイル]]をダウンロードして実際に 動作させてみます．スピーカはArduino 11pinへ，もう一方はグランドへ接続してください．

MIDIの発音命令であるショートメッセージと同じ形式で音高や音量を調整できるようになりました． ショートメッセージとは携帯メッセージではなく，MIDIの規格によって定められた3バイトで構成される 31250bpsのシリアル通信です．ユーザは発音したいチャンネル，音高，音量を関数の引数として渡すことで 発音を行うことが出来ます．通常は sendShortMessage(channel, note, velocity);のような関数名で よく実装されています．例えばピアノに座って，真ん中辺りのドの鍵盤を強めに打鍵して，1秒後に鍵盤を離す． とします，この場合，これは下記のようにプログラムで記述することが出来ます．

<code>
sendShortMessage(channel, 60, 100);
delay(1000);
sendShortMessage(channel, 60, 0);
</code>
===== Channel =====
channelは演奏でいうところのパートを指します．例えばchannel:0にピアノ，channel:1にフルート，といった具合に channelごとに音色を用意して演奏を行います．MIDIでは0-15までの16channelに好きな楽器を割り当てて利用します． ただしどのchannelに何の楽器，音色を割り当てるかは音源側で自由に決めることができます．0:piano, 8:drum set等が 一般的です．今回のサンプルではArduinoのFlashメモリの制約があるため，3秒程度までしか音声データを利用できません． つまり，一つ辺り500ms程度のサンプリング音源を利用すると3000/500 = 6 種類の音源を最大で利用できます．サンプル プログラムでは3つの音色（0:Marimba, 1:Piano, 2: Glocken）を割り当てました．録音は馬場が作成したものです．

<code>
/*
順番に音色を変えて音を鳴らすサンプル
(C)2015 Tetsuaki Baba
*/
#include "PCM.h"
#include "arMIDI.h"

MIDI midi;

void setup()
{
}

void loop()
{
  midi.play(0, 55, 127);
  delay(500);
  midi.play(1, 55, 127);
  delay(500);
  midi.play(2, 55, 127);
  delay(500);
}
</code>

===== Note =====
Noteは音高を指します．つまり，ドレミファソラシ，，のことです．MIDIではこの音高に対して明確なノート番号というものを 割り当てており，その対応関係は下記のとおりです．ピアノに座って，真ん中辺りのドの音はNote番号60に当たります．ピアノは一部を除き 一般的には88鍵ですが，それをカバーする音高域が0-127で割り振られています．音高は0-127で割り当てられています．

{{ :arduino:keyboard_midi.png?nolink |}}
*音楽研究所ウェブサイトより転載（http://www.asahi-net.or.jp/~HB9T-KTD/music/Japan/Research/DTM/freq_map.html）

===== Velocity =====

Velocityは音の強弱（音量）を指定するパラメータです．Noteと同様に0-127の範囲で値を設定します．なお，velocity=0の場合は 0の強さで打鍵する，という意味ではなく，発音を停止する(Note OFF）の意味になりますので注意してください．