如何在Java中实时读取MIDI输入流

本文详细介绍了如何在Java中实时捕获和处理来自MIDI乐器的输入流。通过实现自定义的`javax.sound.midi.Receiver`接口，开发者可以接收并响应实时的MIDI消息，如音符开启（Note ON）事件，从而实现互动式应用。文章还涵盖了如何同时将MIDI输入记录到`Sequencer`中，并提供了完整的示例代码和关键注意事项，旨在帮助读者构建高效、响应式的MIDI处理系统。

实时MIDI输入流处理：Java实现指南

在开发与数字乐器交互的应用程序时，实时获取并处理MIDI输入是核心需求之一。无论是构建自动乐谱显示器、MIDI控制器映射工具，还是其他交互式音乐应用，理解如何高效地从MIDI设备读取数据至关重要。本文将深入探讨在Java中实现这一功能的关键技术和最佳实践。

理解Java MIDI API基础

Java的MIDI API（javax.sound.midi包）提供了一套强大的工具来处理MIDI数据。核心组件包括：

• MidiSystem: 用于发现和获取可用的MIDI设备。
• MidiDevice: 代表一个MIDI设备，可以是输入设备（如键盘）、输出设备（如合成器）或内部合成器。
• Transmitter: 从MIDI设备发送MIDI消息。
• Receiver: 接收MIDI消息。
• Sequencer: 用于播放、录制和编辑MIDI序列。

在实时输入场景中，我们的目标是从一个MIDI输入设备（例如数字钢琴）获取消息，并对其进行即时处理。

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实时事件捕获的挑战

许多开发者在尝试实时捕获MIDI事件时，可能会首先想到使用Sequencer的事件监听器，例如ControllerEventListener。然而，Sequencer主要设计用于播放和录制MIDI序列，其事件监听器通常在Sequencer内部处理已录制的序列时触发，而不是直接监听来自外部MIDI设备的实时输入。因此，直接将Sequencer连接到MIDI输入并期望其监听器立即响应外部事件，往往无法达到预期效果。

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为了实现真正的实时回调，我们需要更直接地介入MIDI消息的传输路径。

解决方案：实现自定义Receiver

获取实时MIDI输入事件最有效的方法是实现一个自定义的Receiver。当一个MIDI设备（通过其Transmitter）发送消息时，这些消息会被传递给连接到该Transmitter的Receiver。通过实现自己的Receiver，我们可以直接在send()方法中处理每一个传入的MIDI消息。

以下是实现自定义Receiver的步骤：

1. 发现并打开MIDI输入设备： 使用MidiSystem.getMidiDeviceInfo()列出所有可用的MIDI设备，并根据名称或描述选择你的输入设备。
2. 获取Transmitter： 从选定的MIDI输入设备获取一个Transmitter实例。
3. 创建自定义Receiver： 实现javax.sound.midi.Receiver接口，并在其send(MidiMessage message, long timeStamp)方法中编写你的实时处理逻辑。
4. 连接Transmitter和Receiver： 调用transmitter.setReceiver(yourCustomReceiver)将两者连接起来。

示例代码：自定义Receiver

import javax.sound.midi.MidiMessage;
import javax.sound.midi.Receiver;
import javax.sound.midi.ShortMessage;

public class MyMidiReceiver implements Receiver {

    @Override
    public void send(MidiMessage message, long timeStamp) {
        // 检查消息类型，通常我们关心ShortMessage
        if (message instanceof ShortMessage shortMessage) {
            // 获取MIDI命令（例如，Note ON, Note OFF, Control Change等）
            int command = shortMessage.getCommand();
            // 获取MIDI通道
            int channel = shortMessage.getChannel();
            // 获取第一个数据字节（例如，音符编号或控制器编号）
            int data1 = shortMessage.getData1();
            // 获取第二个数据字节（例如，力度或控制器值）
            int data2 = shortMessage.getData2();

            // 处理Note ON事件
            if (command == ShortMessage.NOTE_ON) {
                // 过滤掉力度为0的Note ON，这通常表示Note OFF
                if (data2 > 0) {
                    System.out.println("Note ON: Note=" + data1 + ", Velocity=" + data2 + ", Channel=" + channel + ", Time=" + timeStamp);
                    // 在这里执行你的实时逻辑，例如更新乐谱显示、触发声音等
                    // 注意：长时间运行的任务应在新线程中执行，以避免阻塞MIDI事件流
                } else {
                    // 处理力度为0的Note ON作为Note OFF
                    System.out.println("Note OFF (Velocity 0): Note=" + data1 + ", Channel=" + channel + ", Time=" + timeStamp);
                }
            }
            // 处理Note OFF事件
            else if (command == ShortMessage.NOTE_OFF) {
                System.out.println("Note OFF: Note=" + data1 + ", Velocity=" + data2 + ", Channel=" + channel + ", Time=" + timeStamp);
            }
            // 处理控制改变事件
            else if (command == ShortMessage.CONTROL_CHANGE) {
                System.out.println("Control Change: Controller=" + data1 + ", Value=" + data2 + ", Channel=" + channel + ", Time=" + timeStamp);
            }
            // 可以根据需要添加其他MIDI消息类型的处理
        }
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("MIDI Receiver closed.");
        // 清理资源（如果需要）
    }
}

同时录制MIDI到Sequencer

如果除了实时处理，你还需要将MIDI输入录制成一个Sequence，以便后续播放或保存，可以通过获取第二个Transmitter并将其连接到Sequencer的Receiver来实现。

import javax.sound.midi.MidiDevice;
import javax.sound.midi.MidiSystem;
import javax.sound.midi.Sequence;
import javax.sound.midi.Sequencer;
import javax.sound.midi.Transmitter;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class MidiInputRecorderAndProcessor {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 列出所有MIDI设备并选择输入设备
        MidiDevice.Info[] infos = MidiSystem.getMidiDeviceInfo();
        MidiDevice inputDevice = null;

        System.out.println("Available MIDI Devices:");
        for (int i = 0; i < infos.length; i++) {
            System.out.println(i + ": " + infos[i].getName() + " - " + infos[i].getDescription());
            // 简单示例：选择第一个包含"USB"或"MIDI"的设备作为输入
            // 实际应用中应提供用户选择或更智能的匹配
            if (inputDevice == null && (infos[i].getName().contains("USB") || infos[i].getName().contains("MIDI"))) {
                try {
                    MidiDevice device = MidiSystem.getMidiDevice(infos[i]);
                    if (device.getMaxTransmitters() != 0) { // 确保是输入设备
                        inputDevice = device;
                        System.out.println("Selected Input Device: " + infos[i].getName());
                    }
                } catch (Exception e) {
                    // 忽略无法打开的设备
                }
            }
        }

        if (inputDevice == null) {
            System.err.println("No suitable MIDI input device found.");
            return;
        }

        // 2. 打开输入设备
        inputDevice.open();

        // 3. 设置实时处理器 (自定义Receiver)
        Transmitter realTimeTransmitter = inputDevice.getTransmitter();
        MyMidiReceiver myReceiver = new MyMidiReceiver();
        realTimeTransmitter.setReceiver(myReceiver);
        System.out.println("Real-time MIDI processing started.");

        // 4. 设置Sequencer进行录制
        Sequencer sequencer = MidiSystem.getSequencer();
        sequencer.open();

        // 创建一个空的Sequence用于录制
        Sequence sequence = new Sequence(Sequence.PPQ, 24);
        sequencer.setSequence(sequence);
        sequencer.recordEnable(sequence.createTrack(), -1); // 录制到新轨道

        // 获取第二个Transmitter连接到Sequencer的Receiver
        // 注意：某些设备可能只提供一个Transmitter，需要检查getMaxTransmitters()
        Transmitter recordingTransmitter = inputDevice.getTransmitter(); 
        recordingTransmitter.setReceiver(sequencer.getReceiver());
        System.out.println("MIDI recording to Sequencer started.");

        sequencer.startRecording();

        // 5. 运行一段时间后停止并保存
        System.out.println("Listening and recording for 10 seconds...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10); // 模拟运行10秒

        sequencer.stopRecording();
        System.out.println("Recording stopped.");

        // 6. 保存录制的MIDI文件
        try {
            File midiFile = new File("recorded_midi.mid");
            MidiSystem.write(sequence, 0, midiFile);
            System.out.println("MIDI sequence saved to " + midiFile.getAbsolutePath());
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Error saving MIDI file: " + e.getMessage());
        }

        // 7. 关闭资源
        myReceiver.close();
        realTimeTransmitter.close();
        recordingTransmitter.close();
        sequencer.close();
        inputDevice.close();
        System.out.println("All MIDI resources closed.");
    }
}

关键注意事项与最佳实践

1. 设备选择： 在实际应用中，不应硬编码选择设备索引。应提供一个用户界面来列出可用设备，并允许用户选择。
2. 错误处理： 始终包含适当的异常处理（try-catch块），尤其是在处理MidiSystem和MidiDevice操作时。
3. 资源管理： 在程序结束时，务必关闭所有打开的MidiDevice、Transmitter、Receiver和Sequencer，以释放系统资源。这通常通过close()方法完成。
4. 线程安全与性能： Receiver.send()方法在MIDI事件到达时被调用，通常在MIDI系统的内部线程中。如果在send()方法中执行耗时操作，可能会阻塞MIDI事件流，导致延迟或数据丢失。对于复杂的处理，应将任务提交到一个单独的线程池或使用异步机制。
5. MIDI消息类型： MidiMessage有多种子类型，最常见的是ShortMessage（音符、控制改变等）和MetaMessage（序列名称、歌词等）。send()方法需要根据MidiMessage的类型进行相应的处理。
6. Transmitter数量： 某些MIDI设备可能只提供一个Transmitter。如果你需要同时连接多个Receiver（例如一个用于实时处理，一个用于录制），你需要确保设备支持多个Transmitter或通过克隆Transmitter来解决（如果API允许）。在Java MIDI API中，MidiDevice.getTransmitter()每次调用都会返回一个新的Transmitter实例，因此通常不需要担心数量限制，但要注意每个Transmitter都需要连接到其对应的Receiver。

总结

通过实现自定义的javax.sound.midi.Receiver，Java开发者可以有效地捕获和处理来自实时MIDI乐器的输入流。这种方法提供了对MIDI事件的细粒度控制，是构建响应式和交互式MIDI应用程序的基础。结合Sequencer进行并行录制，可以进一步扩展应用的功能，满足更复杂的音乐处理需求。遵循本文提供的指南和最佳实践，你将能够构建健壮且高效的Java MIDI应用。