PDF de programación - Captura de Múltiples Eventos MIDI en Tiempo de Ejecución

CENTRO DE INVESTIGACI ÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS

DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

SECCI ÓN DE COMPUTACI ÓN

Captura de Múltiples Eventos MIDI

en Tiempo de Ejecución

Tesis que presenta

Maximino Peña Guerrero

Para Obtener el Grado de

Doctor en Ciencias

En la Especialidad de

Ingeniería Eléctrica

Opción Computación

Director de la Tesis: Dr. Adriano De Luca Pennacchia.

Codirector: Dr. Jorge Buenabad Chávez.

México D.F.

Enero 2005

RESUMEN

El protocolo de comunicaciones entre instrumentos musicales MIDI (Musical Instru-

ment Digital Interface) fue introducido en 1983, y desde entonces se ha desarrollado

un gran número de aplicaciones musicales. Existen sistemas de software con los cuales

se puede editar una partitura musical tal como se hace con un texto, transportar las

notas a otro tono, construir secuencias de acompañamiento, insertar la voz de un can-

tante, o bien, simular una orquesta real. La captura de los eventos MIDI de un ins-

trumento actualmente está limitada en fidelidad, y la de varios instrumentos MIDI

no es posible debido a que el sistema MIDI no fue diseñado para capturar datos en

paralelo. Este tipo de captura haría posible arreglos con sonidos de distintos instru-

mentos y la extracción precisa y automática de las partituras de cada instrumento.

Esta tesis presenta las alternativas de diseño de un sistema de grabación de

eventos MIDI de varias fuentes y propone dos diseños específicos: MIDI Capture Sys-

tem Linear-memory (MCS-L) y MIDI Capture System Segmented-Memory (MCS-S).

MCS-L utiliza una memoria lineal convencional, y es adecuado para desarrollar un

prototipo en poco tiempo. MCS-S utiliza un diseño especial de memoria segmenta-

da autocompactante (MSA) que facilita su producción masiva y muy posiblemente

reduce su costo ya que sólo utiliza tres circuitos integrados de propósito específico.

MSA inserta los datos MIDI de cada instrumento en un segmento distinto de tamaño

variable y autocompactante, no desperdiciando memoria si uno de los instrumentos

no genera datos.

Para probar MCS-L desarrollamos un prototipo con un sistema mínimo basa-

do en el microcontrolador 8051, y el software de control del mismo. Capturamos

datos MIDI de varios instrumentos, y con un compilador que desarrollamos, lla-

mado KL (Kernel f or music Language), obtuvimos sus partituras con una ca-

lidad aceptable. Para probar MCS-S sólo evaluamos su MSA, el único compo-

nente distinto de los de MCS-L. Nuestra evaluación, en base al sistema de de-

sarrollo de sistemas digitales Xilinx, muestra que MSA es mucho más rápida

que una memoria convencional, garantizando la captura fiel de los eventos MIDI.

ii

ABSTRACT

The protocol of communication among musical instruments MIDI (Musical Instru-

ment Digital Interface) it was introduced in 1983, and from then on a great number of

musical applications it has been developed. Software systems exist with those which

one can edit a musical score just as it is made with a text, to transport the notes to

another tone, to build accompaniment sequences, to insert the voice of a singer, or

to simulate a real orchestra. The capture of the events MIDI of an instrument at the

moment it is limited in fidelity and that of several instruments is not possible because

the MIDI system it was not designed to capture data in parallel. This capture type

would make possible arrangements with sounds of different instruments and the pre-

cise and automatic extraction of the scores of each instrument.

This thesis presents the design alternatives of a MIDI events recording system

of several sources and it proposes two specific designs: MIDI Capture System Linear-

Memory (MCS-L) and MIDI Capture System Segmented-Memory (MCS-S). MCS-L

uses a conventional lineal memory, and it is adapted to develop a prototype in little

time. MCS-S uses a special design of self-compacting segmented memory (MSA) that

it facilitates their massive production and very possibly it reduces their cost since

alone it uses three integrated circuits of specific purpose. MSA inserts the data MI-

DI of each instrument in a different segment from variable size and self-compacted,

not wasting memory if one of the instruments doesn’t generate data.

In order to prove MCS-L we develop a prototype with a minimum system based

on the 8051 microcontroller, and its software of control of the one. We capture data

MIDI of several instruments, and with a compiler that we have developed, named KL

(Kernel for music Language), we obtained their scores with acceptable quality. In or-

der to prove alone MCS-S we evaluate their MSA, the only component different from

those of MCS-L. Our evaluation, based on the development system of digital systems

Xilinx, it shows that MSA is much quicker that a conventional memory, guarantee-

ing the faithful capture of MIDI events.

iii

Xóchitl Peña Navarro,

Ma. del Rosario Peña Navarro,

Ma. Teresa Navarro Serrano,

Elena Guerrero Badillo,

Alberto Peña Ramírez,

Instituto Politécnico Nacional. . .

Dios:

Gracias.

iv

Agradecimientos

Agradezco a mi director de tesis, Dr. Adriano De Luca Pennacchia la guía, asesoría y

la oportunidad que me dio al formar parte de su grupo de investigadores, con lo cual

fue posible desarrollar el presente proyecto de tesis doctoral.

De la misma forma, también quiero hacer patente mi deuda y agradecimientos

al Dr. Jorge Buenabad Chávez, codirector de esta tesis, cuyas sugerencias, ideas, y

señalamientos enriquecieron el contenido del proyecto.

De una manera muy especial, agradezco al Dr. Manuel González Hernández los

consejos que recibí como amigo, maestro, y compañero de trabajo durante aquellos

momentos difíciles de mi vida; asimismo las revisiones, sugerencias y correcciones que

hizo a este documento. Muchas gracias M anix.

Estoy agradecido con: Dr. Oscar Olmedo Aguirre, cuyas recomendaciones ayu-

daron a mejorar la estructura del texto; Dr. Miguel Ángel León Chávez, invirtió su

valioso tiempo en revisar el documento final, sus observaciones y sugerencias en-

riquecieron esta tesis; Dra. Graciela Roman Alonzo, amablemente hizo revisiones y

recomendaciones que también enriquecieron la tesis; y, Dr. Luis Gerardo de La Fra-

ga, hizo las primeras observaciones que ayudaron a bien organizar nuestro proyecto.

Reconozco mi deuda con el Dr. Sergio V. Chapa V., por el apoyo y facilidades

que permitieron iniciar, desarrollar, y profundizar en el tema durante su administra-

ción en la Sección de Computación del Departamento de Ingeniería Eléctrica del CIN-

VESTAV; agradezco sus sugerencias cuando presentamos por primera vez este tópi-

co en el Centro de Investigación en Inteligencia Artificial de Barcelona España.

También debo dar las gracias a: Dr. Raúl Cortés Mateos, que destacó la impor-

tancia de lograr objetivos precisos, además me dio el apoyo que necesitaba para la

realización del trabajo; Dr. Adolfo Guzmán Arenas, Dr. Marvin Minsky, y Dr. Harold

V. McIntosh, que me ayudaron a reforzar la convicción para desarrollar y profundizar

en el tema.

v

Gracias también: Ing. Luis Alcaraz Ugalde, las facilidades que permitieron ter-

minar el proyecto; Ing. Jorge Suárez Díaz, que facilitó tiempo de trabajo y las insta-

laciones donde surgieron las primeras ideas; M.C. Armando Jiménez Flores, indicó re-

visiones y cambios que mejoraron el comportamiento de los dispositivos; Ing. Leode-

gario Wrvieta Cortés, la disposición de sus sistemas de desarrollo; Ing. José de Jesús

Negrete Redondo, la revisión final del manuscrito; y Lic. José Urbano Cruz Cedillo,

el acceso a sus recursos computacionales.

Muchas gracias al Prof. Ignacio Rubén Pérez Escamilla que invirtió su valioso

tiempo en ayudarme a comprender aquellos conceptos matemáticos que me permi-

tieron seguir adelante. En este mismo contexto, deseo expresar profundos agradeci-

mientos a todos los maestros que me formaron en la vida, desde el primero que re-

cuerda mi infancia, Prof. Camilo Torres, maestro rural de Sn. José Zoquital Hgo., y

que me enseñó los primeros “palitos”, hasta los que he tenido en estos últimos años,

y que me han permitido lograr mis objetivos, sin olvidar para nada a los profesores de

música que me ayudaron a comprender su lenguaje. Muchas gracias a todos mis alum-

nos que participaron programando muchos conceptos sin relación alguna aparente,

pero que comprobaron en los laboratorios y los reunieron en un todo congruente.

Agradezco con profunda emoción las facilidades otorgadas por las autoridades

de las instituciones adonde he sido alumno, docente e investigador, y donde surgieron

aquellas ideas que me permitieron desarrollar esta investigación, resultado de la cual,

he dedicado gran parte de mi vida: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctri-

ca (ESIME) del IPN; Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVES-

TAV) del IPN, principalmente, la Sección de Computación del Departamento de In-

geniería Eléctrica, y la Sección de Proyectos de Ingeniería, del mismo departamen-

to; Centro Nacional de Cálculo (CeNaC) del IPN; Centro de Investigación en Com-

putación (CIC) del IPN; Dirección de Cómputo y Comunicaciones (DCyC) del IPN;

y por supuesto, mi Alma M ater: Instituto Politécnico Nacional.

Maximino Peña Guerrero

vi

... Levántate, pues, y vence
tu flaqueza con el ánimo
que triunfa en los comba-
tes [...]
levantarse
mira alrededor, desvanecido
por la grande angustia por
[la] que ha pasado...

... y al

Dante Alighieri

(1265-1321)

vii

Índice general

1. Introducción

2. Música Digital

2.1. Composición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Creación de una composición . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
2.1.2. Creación de una composición con una máquina
2.2. Escritura de una compo