音源サンプリング
2023.03.15
YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。
今回は、YAMAHA CP33 STAGE PIANOの内部音源をサンプリングします。
一般的にソフト音源と呼ばれる合成音源は、プラグインを介して再生されます。
このような音源は、マイコンから直接WAVファイルとして読み込むことができるような作りではありません。
そこで今回は、電子ピアノにMIDI信号を送り込み88鍵分の音を録音します。
●YAMAHA CP33 STAGE PIANO

『CP33』は、小型化・軽量化を実現し優れた可搬性を実現。ライブやリハーサルなどに気軽に持ち運ぶことができます。音源部には3レベルダイナミックステレオサンプリングのAWM音源を採用し、高品位なピアノ音色に加えモノピアノも搭載。また鍵盤にはピアノのタッチをリアルに再現した88鍵のGH (グレードハンマー)鍵盤を装備し、高い演奏性を実現しています。
希望小売価格: 140,000 円(税抜)2006年5月 発売
音源のサンプリングにCP33を選んだ理由は内部音源に「MONO PIANO」があることです。
このモノラル・ピアノ音源は、ステレオ感は出ないものの音圧が高く、アンサンブルで際立つ音色です。
今回はこの「MONO PIANO」音源をサンプリングしてみます。
【Vol.26】YAMAHA CP33 ~シンプル・ステージピアノ[2006年]
●3.3V版MIDI送信回路
MIDI 1.0規格 では 5Vの電源を前提にしていますが、そのアップデートである CA-033 MIDI 1.0 電気的仕様改訂には 3.3V 版の MIDI 送受信回路が規定されています。
5V系回路の場合、信号線とVcc各々に220Ωの抵抗を挟みますが、3.3V系の場合、信号線側に33Ω1/2W抵抗、Vcc側に10Ω1/4W抵抗を挟みます。
引用.
CA-033 MIDI 1.0 電気的仕様改訂(日本語版) 2015年
●MIDIケーブル
DINプラグ(オス/5P)に3芯ケーブルをはんだ付けして、ケーブルのもう片側に抵抗を挟んでいます。

このままでは線が切れやすいので、グルーガンを使ってもよいのですが、仕上がりがきれいな木工用ボンドで固定しています。
●TASCAM(タスカム) DR-07MK II VER2 リニアPCMレコーダー

A-B/X-Y方式での録音が可能な単一指向性ステレオコンデンサーマイク搭載。ミュージシャンに最適な24bit/96kHz対応 リニアPCMレコーダー。
TASCAM DR-07MK II VER2 リニアPCMレコーダー
TASCAM(タスカム) DR-07MK IIでは、サンプリング周波数44.1K/48K/96KHz、解像度16/24ビットのリニアPCM(WAV形式)録音が可能です。
●Adafruit QT Py ESP32-S2 WiFi Dev Board with STEMMA QT
・ESP32-S2 240MHz Tensilica processor
・4 MB Flash & 2 MB PSRAM
・2.4 GHz Wi-Fi System-on-Chip (SoC)
・3.3V regulator with 600mA peak output
Qt Py Pinout
●Adafruit Micro SD SPI or SDIO Card Breakout Board - 3V ONLY!
3V - This is the power pin. MicroSD cards must use 3.3V, so take care to only hook 3.3V to this pin. Hooking 5V or VBAT to this pin will damage your microSD card.
GND - common ground for power and logic.
DET - Detect whether a microSD card is inserted. This pin is connected to GND internally when there's no card, but when one is inserted it is pulled up to 3V with a 4.7kΩ resistor. That means that when the pin's logic level is False there's no card and when it's True there is.
CLK - This is the SPI Clock pin / SCK Serial Clock, its an input to the chip.
SO - this is the Serial Out / Microcontroller In Serial Out pin, for data sent from the SD card to your processor.
SI - this is the Serial In / Microcontroller Out Serial In pin, for data sent from your processor to the SD card. Its an input to the chip and can use 3V logic only.
CS - this is the Chip Select pin, drop it low to start an SPI transaction. Its an input to the chip and can use 3V logic only.
●ER-OLEDM0.49-1W-I2C
サンプリングの途中経過を表示するための 0.49インチOLEDです。

ER-OLEDM0.49-1W-I2C is the graphic OLED display module,attached with breakout board,made of 64x32 individual white OLED pixels,diagonal is only 0.49 inch.The controller ic SSD1306, communicates via I2C serial interface,3.3V power supply,extremely wide viewing angle and extremely operating temperature.
Adafruit のSSD1306用ライブラリやU8g2ライブラリを使用してもよいのですが、文字表示だけなので、I2Cを直接制御する0.49インチOLEDのサンプルコードをダウンロードして使用しても便利です。

ER-OLEDM0.49-1W-I2C
●ソースコード
#define CP33_CHANNEL 0
#define CP33_BANK_DEFAULT 0
#define VELOCITY_FFF 127
#define MIDI_CHAN_BANK 0x00
#define MIDI_CHAN_VOLUME 0x07
#define MIDI_CHAN_MSG 0xB0
#define MIDI_CHAN_PROGRAM 0xC0
void setup()
{
// MIDIチャンネル指定
Serial1.write(MIDI_CHAN_MSG | CP33_CHANNEL);
Serial1.write((uint8_t)MIDI_CHAN_BANK);
Serial1.write((uint8_t)CP33_BANK_DEFAULT);
// 音量指定
Serial1.write(MIDI_CHAN_MSG | CP33_CHANNEL);
Serial1.write(MIDI_CHAN_VOLUME);
Serial1.write(VELOCITY_FFF);
// ボイス指定
Serial1.write(MIDI_CHAN_MSG | CP33_CHANNEL);
Serial1.write((uint8_t)0x00);
Serial1.write((uint8_t)0x00);
Serial1.write(MIDI_CHAN_MSG | CP33_CHANNEL);
Serial1.write(0x20);
Serial1.write(123);
Serial1.write(MIDI_CHAN_PROGRAM | CP33_CHANNEL);
Serial1.write(1);
// サンプリング 21(A0) ~ 108(C8)
for(int noteNo = 21;noteNo<=108;noteNo++) {
Serial1.write(0x90); // note on
Serial1.write(noteNo);
Serial1.write(127);
delay(500);
Serial1.write(0x80); // note off
Serial1.write(noteNo);
Serial1.write(127);
delay(200);
}
}
void loop() {}
※理解を容易にするため必要最低限のコードを掲載しています。
☆各ボイスのプログラムチェンジナンバー
YAMAHA CP33 STAGE PIANO 取扱説明書 P50
GM音源(標準MIDI音源)の場合は、MIDI制御コード・プログラムチェンジを使えばよいのですが
Serial.write(MIDI_CHAN_PROGRAM | channel);
Serial.write(instrument);
電子ピアノの内部音源を使う場合は機種ごとの仕様に従います。
コントロール・チェンジでバンク選択を行い、続けてプログラムチェンジを発行します。
Serial.write(MIDI_CHAN_MSG | CP33_CHANNEL);
Serial.write((uint8_t)0x00);
Serial.write(msb);
Serial.write(MIDI_CHAN_MSG | CP33_CHANNEL);
Serial.write(0x20);
Serial.write(lsb);
Serial.write(MIDI_CHAN_PROGRAM | CP33_CHANNEL);
Serial.write(pc);
☆音源サンプリング
ピアノ88鍵の音域をサンプリングしています。
for(int noteNo = 21;noteNo<=108;noteNo++) {
Serial1.write(0x90); // note on
Serial1.write(noteNo);
Serial1.write(127);
delay(500);
Serial1.write(0x80); // note off
Serial1.write(noteNo);
Serial1.write(127);
delay(200);
}
0.5秒音を鳴らして、次の音との間に0.2秒の間隔をあけています。
このMIDIコード送信用のループの中に、OLEDなどへの進捗表示制御などを組み込んでしまうと
録音時間に影響を与えてしまい、音を分割する際に支障がでます。
●ビルド
ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO
●サンプリング

本番録音の前に、プログラムを一度実行して、TASCAMの録音ピークランプが点灯しないように、TASCAMの入力レベル調節ボタンと、CP33のボリュームを使って調整します。
録音終了後に、TASCAMとパソコンをUSB接続して、WAVファイルを取り出します。
●音の分割
まずは、デジタル・オーディオ・エディタ Audacity を開いて、分割の前処理を行います。

ピアノ88鍵分の音を録音しています。
MIDIコードのNOTE ONの際に、VELOCITY(音の強さ)を127に固定しているのですが、実際の録音データは音の強度にバラツキが生じていることがわかります。
Audacityの時間間隔を拡大して、波形を表示します。

MIDI信号が送られる直前までの無音部分を削除します。音の出だしのさざ波の部分をカットしてしまうと、再生の際のビビり音の原因になるので、残しておきます。
TASCAMの録音データのWAVヘッダーはかなり冗長なのですが、データ先頭部分をカットしてWAV書き出しを行うと
シンプルな44バイトのWAVヘッダーに編集されて出力されます。

MIDIコードでは1つの音は0.5秒音を鳴らして、次の音との間に0.2秒の間隔をあけているので0.7秒分あります。
波形を見てみると残響を引きずって次の音に繋がっているのがわかります。
音を取り出す際には、0.7秒で分割して先頭0.6秒分を保存しています。

録音の最初にあるA0(一番低いラ音)の波形です。
このA0の振幅の最大値を抽出し、この最大値を基準として、他の音の振幅の最大値が等しくなるように音の振幅(強度)を拡大・縮小処理を施しながら分割しています。
●音源分割用コード
#include <Arduino.h>
#include <SPI.h>
#include <FS.h>
#include <SD.h>
#define SD_CS A3
#define SDSPEED 40000000
// The Canonical WAVE file format
typedef struct {
uint8_t ChunkID[4];
uint32_t ChunkSize;
uint8_t Format[4];
uint8_t Subchunk1ID[4];
uint32_t Subchunk1Size;
uint16_t AudioFormat;
uint16_t NumChannels;
uint32_t SampleRate;
uint32_t ByteRate;
uint16_t BlockAlign;
uint16_t BitPerSample;
uint8_t Subchunk2ID[4];
uint32_t Subchunk2Size;
int16_t *wavdata;
} WAV_FORMAT;
#define SAMPLING_RATE 44100
#define WAVDATA_SIZE 52920 // 44100x0.6x2
#define BLOCK_SIZE 61740
File file;
boolean getWavFormat(WAV_FORMAT *pwf) {
long len;
short cbsize;
if (file.read((uint8_t *)pwf,20) == -1) {
Serial1.println("file.read() error");
return false;
}
if (memcmp(pwf->Subchunk1ID,"fmt ",4)==0) {
if((len = file.read((uint8_t *)pwf+20,24))==-1) return false;
} else if (memcmp(pwf->Subchunk1ID,"LIST",4)==0) {
if (file.seek(20+pwf->Subchunk1Size)) {
if((len = file.read((uint8_t *)pwf+12,24))==-1) return false;
if (pwf->Subchunk1Size == 18) {
// skip cbsize on WAVEFORMATEX
if((len = file.read((uint8_t *)&cbsize,2))==-1) return false;
}
if((len = file.read((uint8_t *)pwf+36,8))==-1) return false;
} else {
return false;
}
} else {
return false;
}
if( memcmp(pwf->ChunkID, "RIFF", 4)
||memcmp(pwf->Format, "WAVE", 4)
||memcmp(pwf->Subchunk1ID, "fmt ", 4)
||memcmp(pwf->Subchunk2ID, "data", 4))
return false;
else return true;
}
void setup() {
char noteStr[4];
char noteFileName[22];
long file_pos, pos, len;
int16_t max_amplitude_A0, max_amplitude;
float factor;
WAV_FORMAT *pwf;
SD.begin( SD_CS, SPI, SDSPEED);
pwf = (WAV_FORMAT *)malloc(sizeof(WAV_FORMAT));
pwf->wavdata = (int16_t *)malloc(WAVDATA_SIZE));
for(int noteNo = 21;noteNo<=108;noteNo++) {
int octave = ((int)(noteNo/12) -1 + 0x30);
memset(¬eStr, 0x00, 4);
switch(noteNo%12) {
case 0: noteStr[0] = 'C'; noteStr[1] = octave; break;
case 1: noteStr[0] = 'C'; noteStr[1] = octave; noteStr[2] = '#'; break;
case 2: noteStr[0] = 'D'; noteStr[1] = octave; break;
case 3: noteStr[0] = 'D'; noteStr[1] = octave; noteStr[2] = '#'; break;
case 4: noteStr[0] = 'E'; noteStr[1] = octave; break;
case 5: noteStr[0] = 'F'; noteStr[1] = octave; break;
case 6: noteStr[0] = 'F'; noteStr[1] = octave; noteStr[2] = '#'; break;
case 7: noteStr[0] = 'G'; noteStr[1] = octave; break;
case 8: noteStr[0] = 'G'; noteStr[1] = octave; noteStr[2] = '#'; break;
case 9: noteStr[0] = 'A'; noteStr[1] = octave; break;
case 10: noteStr[0] = 'A'; noteStr[1] = octave; noteStr[2] = '#'; break;
case 11: noteStr[0] = 'B'; noteStr[1] = octave; break;
}
if (noteNo == 21) {
if(file = SD.open("/mono_piano/mono_piano.wav")) {
getWavFormat(pwf);
pwf->Subchunk2Size = WAVDATA_SIZE;
len = file.read((uint8_t*)pwf->wavdata,WAVDATA_SIZE);
if (len == WAVDATA_SIZE) {
max_amplitude_A0 = 0;
for(pos = 0; pos < (WAVDATA_SIZE/2); pos++) {
if (max_amplitude_A0 < pwf->wavdata[pos]) max_amplitude_A0 = pwf->wavdata[pos];
}
// 音割れするので振幅を縮小する
factor = ((float)max_amplitude_A0 * 0.6) / max_amplitude_A0;
max_amplitude_A0 = (float)max_amplitude_A0 * 0.4;
for(pos = 0; pos < (WAVDATA_SIZE/2); pos++) {
pwf->wavdata[pos] = (int16_t)(factor * (float)pwf->wavdata[pos]);
}
file_pos = 44 + BLOCK_SIZE;
}
file.close();
}
} else {
if(file = SD.open("/mono_piano/mono_piano.wav")) {
file.seek(file_pos);
len = file.read((uint8_t*)pwf->wavdata,WAVDATA_SIZE);
if (len == WAVDATA_SIZE) {
max_amplitude = 0;
for(pos = 0; pos < (WAVDATA_SIZE/2); pos++) {
if (max_amplitude < pwf->wavdata[pos]) max_amplitude = pwf->wavdata[pos];
}
factor = (float)max_amplitude_A0 / (float)max_amplitude;
for(pos = 0; pos < (WAVDATA_SIZE/2); pos++) {
pwf->wavdata[pos] = (int16_t)(factor * (float)pwf->wavdata[pos]);
}
file_pos += BLOCK_SIZE;
}
file.close();
}
}
sprintf(noteFileName,"/mono_piano/%s.wav",noteStr);
if(file = SD.open(noteFileName,FILE_WRITE)) {
file.write((uint8_t*)pwf,44);
file.write((uint8_t*)pwf->wavdata,(size_t)WAVDATA_SIZE);
file.close();
}
}
}
void loop() {}
※理解を容易にするため必要最低限のコードを掲載しています。

さきほどの先頭の無音部分を削除したWAVファイルをSDカードモジュールに差し込んで88音に分割します。

上記の波形は振幅補正を行う前のA7(一番高いラ音)を表示しています。
振幅が小さくかなり弱い音になっています。

振幅補正を行った後のA7の波形です。
一番低いラの音に比べて、音の減衰は早いのですが、しっかりとした音になっています。
分割したWAVファイルの音を鳴らして確認します。動画をご覧ください。

WAVファイルの再生は下記の記事をご覧ください。
MAX98357 & PCM5102
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