【C++】自实现简谱播放

本文将介绍一套基于 ASCII 的简谱编码规则，并展示如何在 C++ 中利用这套规则实现简谱播放。该方案支持音高、时值、高低音、升降调、休止符以及小节线，确保编码规则既简洁又易于解析，同时还具备良好的扩展性。需要注意的是，此方案仅支持 Windows 操作系统。下面我将详细介绍这套规则和 C++ 实现的代码示例。

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简谱编码规则

这套规则采用“音符 token”的概念，每个 token 都由以下部分组成：

• 高低音前缀：用 ^ 表示升高一个八度，用 _ 表示降低一个八度。多个符号表示多个八度调整，如 ^^1 表示高两八度，__1 表示低两八度。
• 音高：用 1-7 表示 Do 到 Si，数字 0 则表示休止符（无音）。
• 升降调：# 表示升半音，b 表示降半音。
• 时值后缀：默认为四分音符（1拍），可通过后缀修改时值：
  • - 表示二分音符（2拍）
  • -- 表示全音符（4拍）
  • / 表示八分音符（1/2拍）
  • // 表示十六分音符（1/4拍）

每个音符 token 由 [高低音前缀][音高][升降调][时值后缀] 组成，不同 token 之间用空格分隔，小节线作为独立的 token，用于视觉分隔，不影响实际播放。

类别	规则	示例	说明
音高	1-7 表示 Do-Si	1（Do），5（Sol）	基本音阶，基于 C 大调
	0 表示休止符	0	无音，持续时间由时值决定
时值	默认：四分音符（1拍）	1	1拍，长度由 BPM 决定
	-：二分音符（2拍）	1-	2拍
	--：全音符（4拍）	1--	4拍
	/：八分音符（1/2拍）	1/	1/2拍
	//：十六分音符（1/4拍）	1//	1/4拍
高低音	^ 前缀：升高一个八度	^1	高音 Do，频率翻倍
	_ 前缀：降低一个八度	_1	低音 Do，频率减半
	多个 ^ 或 _：多个八度	^^1（高两八度），__1（低两八度）	每增加一个，频率乘以 2 或除以 2
升降调	#：升半音	1#	Do 升为 Do#，频率增加半音
	b：降半音	1b	Do 降为 Dob，频率减少半音
小节线	|	|

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C++ 实现说明

下面是 C++ 的完整实现代码。代码中定义了一个 NotePlayer 类，用于解析简谱字符串并播放音符。整个播放逻辑主要包含以下步骤：

1. 解析 Token：将输入的简谱字符串按空格拆分，每个 token 根据前缀和后缀解析出音高、八度偏移、升降调及时值信息。
2. 计算频率：根据音符的音高、八度调整和升降调计算出实际播放时的频率。
3. 播放音符：利用 Windows 的 Beep 函数播放对应频率和时值的音符；若遇休止符则通过 Sleep 实现等待。

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

class NotePlayer {
public:
    NotePlayer(int bpm = 120) : bpm(bpm), quarterDuration(60000 / bpm), isPlaying(false) {}
    
    // 播放简谱，async = true 为异步播放
    void play(const std::string& song, bool async = false) {
        if (isPlaying) return;
        isPlaying = true;
        auto playLogic = [this, song]() {
            std::istringstream iss(song);
            std::string token;
            while (iss >> token && isPlaying) if (token != "|") playNote(parseToken(token));
            isPlaying = false;
        };
        if (async) { playThread = std::thread(playLogic); playThread.detach(); } else playLogic();
    }
    
    // 停止播放（仅对异步有效）
    void stop() { isPlaying = false; }
    
private:
    int bpm, quarterDuration;
    std::thread playThread;
    bool isPlaying;
    
    struct Note { int frequency = 0, duration = 0; };
    
    // 播放单个音符
    void playNote(const Note& note) {
        if (note.duration <= 0) return;
        if (note.frequency > 0) Beep(note.frequency, note.duration);
        else Sleep(note.duration);
    }
    
    // 解析简谱 token
    Note parseToken(const std::string& token) {
        Note note; size_t pos = 0; int octaveOffset = 0;
        while (pos < token.size() && (token[pos] == '^' || token[pos] == '_')) octaveOffset += (token[pos++] == '^') ? 1 : -1;
        if (pos >= token.size() || token[pos] < '0' || token[pos] > '7') return note;
        char pitch = token[pos++], accidental = ' ';
        if (pos < token.size() && (token[pos] == '#' || token[pos] == 'b')) accidental = token[pos++];
        double multiplier = (pos < token.size() && token.substr(pos) == "--") ? 4.0 : (pos < token.size() && token.substr(pos) == "-") ? 2.0 : (pos < token.size() && token.substr(pos) == "//") ? 0.25 : (pos < token.size() && token.substr(pos) == "/") ? 0.5 : 1.0;
        note.duration = static_cast<int>(quarterDuration * multiplier);
        note.frequency = calculateFrequency(pitch, octaveOffset, accidental);
        return note;
    }
    
    // 计算音符频率
    int calculateFrequency(char pitch, int octaveOffset, char accidental) {
        if (pitch == '0') return 0;
        int semitoneOffset = (pitch == '1') ? 0 : (pitch == '2') ? 2 : (pitch == '3') ? 4 : (pitch == '4') ? 5 : (pitch == '5') ? 7 : (pitch == '6') ? 9 : 11;
        if (accidental == '#') semitoneOffset += 1; else if (accidental == 'b') semitoneOffset -= 1;
        return static_cast<int>(261.63 * std::pow(2.0, octaveOffset) * std::pow(2.0, semitoneOffset / 12.0) + 0.5);
    }
};

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使用示例

以下是一个简单的使用示例，演示如何调用 NotePlayer 类来播放一段简谱。示例中使用了斗地主主题音乐作为演示内容。

#include 
#include "NotePlayer.hpp"

int main() {
    // 示例：斗地主主题音乐（佚名）
    std::string song = R"(
        3 3/ 2/ | 1 1/ _6/ | 2/ 3/ 2/ 3/ | _5- 
        _6 _6/ _5/ | _6 1 | 5/ 6/ 3/ 5/ | 2- 
        3 3/ 2/ | 3 5 | 6/ 6/ 6/ ^1/ | 6 5/ 3/ 
        2 2/ 3/ | 5 _5 | 2/ 3/ 2/ 3/ | 1- 
        3 3/ 2/ | 3 5 | 6/ ^1/ 6/ 5/ | 6 5/ 3/ 
        2 2/ 3/ | 5 _5 | 2/ 3/ 2/ 3/ | 1- 
        2/ 2/ 2/ 3/ | 5 5/ 6/ | ^1 6 | ^1- 
    )";

    NotePlayer player(120); // BPM 120
    std::cout << "Playing the simplified score..." << std::endl;
    player.play(song);

    return 0;
}

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总结

本文介绍了如何利用 C++ 结合自定义的简谱编码规则实现简谱播放。通过简单的 ASCII 编码方式，不仅使音乐表示更加直观，同时也保证了解析的高效和扩展性。希望这篇文章能给大家在音频处理和 C++ 编程实践中带来新的灵感和帮助。