Описание музыкальных форматов

[admin]

Так как сейчас делаю свой WEB плеер для воспроизведения трекерной музыка, то решил здесь выкладывать описание форматов, с которыми я уже имел дело. И так начнем....

Описание формата .pt3

PT3 — это скомпилированный музыкальный модуль для ZX Spectrum, созданный в редакторе Pro Tracker 3.x. Файл содержит все необходимые данные для воспроизведения музыки на чипе AY-3-8910.

Заголовок модуля (99 байт)​

Смещение	Размер	Название	Описание
+0	99 байт	MusicName	Название музыки в кодировке ASCII
+99	1 байт	TonTableId	Идентификатор таблицы частот (0-3)
+100	1 байт	Delay	Базовый темп (число кварков на 1 квант)
+101	1 байт	NumberOfPositions	Количество позиций в мелодии (макс. 255)
+102	1 байт	LoopPosition	Позиция зацикливания (0-#FF)
+103	2 байта	PatternsPointer	Смещение от +0 до таблицы паттернов
+105	64 байта	SamplesPointers[32]	32 смещения к описаниям сэмплов (LE)
+169	32 байта	OrnamentsPointers[16]	16 смещений к описаниям орнаментов (LE)
+201	...	PositionList	Список позиций (заканчивается маркером #FF)

Position List​

Начинается с offset +201 (или раньше, если имя короче 99 байт). Содержит последовательность номеров паттернов (0-255). Заканчивается байтом 0xFF.

Positions: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A FF
           ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ маркер конца

Таблица паттернов​

Располагается по смещению PatternsPointer. Каждый паттерн описывается 6 байтами (3 канала × 2 байта LE):

Offset: PatternsPointer + (PatternIndex * 6)
  Byte 0-1: смещение данных канала A (LE)
  Byte 2-3: смещение данных канала B (LE)
  Byte 4-5: смещение данных канала C (LE)

Таблица заканчивается словом 0x0000

Данные каналов (Pattern Data)​

Каждый канал представлен потоком байтовых команд. Декодирование:

LOOP   LD A,(DE)      ; Читаем байт команды
       INC DE
       ADD A,#20      ; +0x20
       JR C,L1        ; Если < 0x20 → SAMPLE (0xE0-0xFF)
       ADD A,#60      ; +0x60
       JR C,L2        ; Если < 0x60 → NOTE (0x80-0xDF)
       ADD A,#10      ; +0x10
       JR C,L3        ; Если < 0x10 → ENVELOPE (0x70-0x7F)
       ADD A,#10      ; +0x10
       JR C,L4        ; Если < 0x10 → ORNAMENT (0x60-0x6F)
       ADD A,#40      ; +0x40
       JR C,L5        ; Если < 0x40 → SKIP (0x20-0x5F)
       ADD A,#10      ; +0x10
       JR C,L6        ; Если < 0x10 → VOLUME (0x10-0x1F)
       INC A
       JR Z,L7        ; 0x0F → DELAY
       INC A
       JR Z,L8        ; 0x0E → GLISS
       INC A
       JR Z,L9        ; 0x0D → PORTAMENTO
       INC A
       JR NZ,L10      ; 0x01-0x0B → ADD TO NOISE
L11    ; 0x00 → Отключение канала

Таблица команд PT3:​

Код команды	Мнемоника	Описание
0xF0-0xFF	SET ORNAMENT+SAMPLE	Установить орнамент (op-0xF0) и сэмпл (след. байт/2)
0xD1-0xDF	SET SAMPLE	Установить сэмпл (op-0xD0)
0xD0	QUIT	Конец данных канала
0xC1-0xCF	SET VOLUME	Установить громкость (op-0xC0)
0xC0	NOTE OFF	Выключить канал
0xB2-0xBF	SET ENVELOPE	Установить огибающую (op-0xB1) + 2 байта периода
0xB1	SET SKIP COUNTER	Установить счётчик пропуска (след. байт)
0xB0	DISABLE ENVELOPE	Отключить огибающую
0x50-0xAF	NOTE ON	Включить ноту (op-0x50 = 0-95)
0x40-0x4F	SET ORNAMENT	Установить орнамент (op-0x40)
0x20-0x3F	SET NOISE OFFSET	Установить смещение шума (op-0x20)
0x11-0x1F	SET ENV+SAMPLE	Огибающая (op-0x10) + период (2 байта) + сэмпл
0x10	DISABLE ENV+SET SAMPLE	Отключить огибающую, установить сэмпл
0x09	SET DELAY CHG	Изменить задержку (след. байт)
0x08	GLISSANDO	Глиссандо (3 байта: задержка, шаг LE)
0x05	PORTAMENTO	Портоаменто (5 байт: задержка, лимит, шаг)
0x04	ORNAMENT OFFSET	Смещение в орнаменте (след. байт)
0x03	SAMPLE OFFSET	Смещение в сэмпле (след. байт)
0x02	TREMOLO	Тремоло (2 байта: on_time, off_time)
0x01	ENVELOPE SLIDE	Слайдинг огибающей (3 байта)

Сэмплы (Samples)​

Каждый сэмпл — это не PCM-звук, а описание поведения AY-канала.

Структура сэмпла (4 байта на кварк):​

Offset +0: NumberOfQuarks — количество кварков в сэмпле
Offset +1: LoopPoint — точка зацикливания (номер кварка)
Offset +2: Quark[0] (4 байта)
...

Структура кварка (4 байта):​

Байт	Биты	Описание
+0	7-1	Частота шума (0-31)
+0	0	Флаг шума (если 1 — шум выключен)
+1	7-4	Амплитуда (0-15)
+1	3-0	Старшая часть частотного вибрато
+2	7-0	Младшая часть частотного вибрато
+3	7-0	Значение тона (сдвиг частоты)

Орнаменты (Ornaments)​

Орнамент — это таблица отклонений от ноты в полутонах.

Структура орнамента:​

Offset +0: Length — количество элементов
Offset +1: Loop — точка зацикливания
Offset +2: Values[0] — значения (знаковые байты: 0-63, старший бит = знак)

Таблицы частот​

PT3.3x - 3.4r (TonTableId = 0):​

0x0C21,0x0B73,0x0ACE,0x0A33,0x09A0,0x0916,0x0893,0x0818,0x07A4,0x0736,0x06CE,0x066D,
0x0610,0x05B9,0x0567,0x0519,0x04D0,0x048B,0x0449,0x040C,0x03D2,0x039B,0x0367,0x0336,
0x0308,0x02DC,0x02B3,0x028C,0x0268,0x0245,0x0224,0x0206,0x01E9,0x01CD,0x01B3,0x019B,
0x0184,0x016E,0x0159,0x0146,0x0134,0x0122,0x0112,0x0103,0x00F4,0x00E6,0x00D9,0x00CD,
0x00C2,0x00B7,0x00AC,0x00A3,0x009A,0x0091,0x0089,0x0081,0x007A,0x0073,0x006C,0x0066,
0x0061,0x005B,0x0056,0x0051,0x004D,0x0048,0x0044,0x0040,0x003D,0x0039,0x0036,0x0033,
0x0030,0x002D,0x002B,0x0028,0x0026,0x0024,0x0022,0x0020,0x001E,0x001C,0x001B,0x0019,
0x0018,0x0016,0x0015,0x0014,0x0013,0x0012,0x0011,0x0010,0x000F,0x000E,0x000D,0x000C

PT3.4x - 3.5x (TonTableId = 0):​

0x0C22,0x0B73,0x0ACF,0x0A33,0x09A1,0x0917,0x0894,0x0819,0x07A4,0x0737,0x06CF,0x066D,
0x0611,0x05BA,0x0567,0x051A,0x04D0,0x048B,0x044A,0x040C,0x03D2,0x039B,0x0367,0x0337,
0x0308,0x02DD,0x02B4,0x028D,0x0268,0x0246,0x0225,0x0206,0x01E9,0x01CE,0x01B4,0x019B,
0x0184,0x016E,0x015A,0x0146,0x0134,0x0123,0x0112,0x0103,0x00F5,0x00E7,0x00DA,0x00CE,
0x00C2,0x00B7,0x00AD,0x00A3,0x009A,0x0091,0x0089,0x0082,0x007A,0x0073,0x006D,0x0067,
0x0061,0x005C,0x0056,0x0052,0x004D,0x0049,0x0045,0x0041,0x003D,0x003A,0x0036,0x0033,
0x0031,0x002E,0x002B,0x0029,0x0027,0x0024,0x0022,0x0020,0x001F,0x001D,0x001B,0x001A,
0x0018,0x0017,0x0016,0x0014,0x0013,0x0012,0x0011,0x0010,0x000F,0x000E,0x000D,0x000C

Volume Table (PT3.3x - 3.4r)​

const uint8_t PT3VolumeTable_33_34[16][16] = {
    {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0},
    {0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1},
    {0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2},
    {0,0,0,0,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,3,3},
    {0,0,0,0,1,1,1,2,2,2,3,3,3,4,4,4},
    {0,0,0,1,1,1,2,2,3,3,3,4,4,4,5,5},
    {0,0,0,1,1,2,2,3,3,3,4,4,5,5,6,6},
    {0,0,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7},
    {0,0,1,1,2,2,3,3,4,5,5,6,6,7,7,8},
    {0,0,1,1,2,3,3,4,5,5,6,6,7,8,8,9},
    {0,0,1,2,2,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,10},
    {0,0,1,2,3,3,4,5,6,6,7,8,9,9,10,11},
    {0,0,1,2,3,4,4,5,6,7,8,8,9,11,11,12},
    {0,0,1,2,3,4,5,6,7,7,8,9,10,11,12,13},
    {0,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14},
    {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15}
};

Turbo Sound (TS)​

PT3 поддерживает 2 чипа AY через Turbo Sound. В конце файла может быть сигнатура:

"02TS" — 2 чипа (2 модуля последовательно)
"03TS" — 3 чипа (3 модуля)

При обнаружении TS плеер загружает дополнительные модули для второго/третьего чипа.

AY-регистры​

R0-R1:  Тон канала A (12 бит, LE)
R2-R3:  Тон канала B
R4-R5:  Тон канала C
R6:     Частота шума (5 бит)
R7:     Микшер (биты 0-2: тон вкл/выкл, биты 3-5: шум вкл/выкл)
R8:     Громкость канала A (биты 0-4, бит 4=1 — включить огибающую)
R9:     Громкость канала B
R10:    Громкость канала C
R11-R12: Период огибающей (16 бит, LE)
R13:    Форма огибающей (0-15, 255=выключена)

 

[admin]

Таблицу частот я использовал последнюю - PT3.4x - 3.5x. По мере разбора форматов и личного опыта работы с ними, я буду выкладывать и остальные. Предлагаю здесь так же делиться описаниями трекерных форматов.

 

[admin]

Полное техническое описание формата .YM-файла (6 версия формата)

1. Что такое YM-файл?​

Музыкальный файл представляет собой дамп (слепок) значений регистров звукогенератора YM2149, которые формируются оригинальной процедурой воспроизведения на реальной машине (ATARI, AMSTRAD, ZX Spectrum и любых других компьютерах с чипом Yamaha YM2149).

Важное замечание: Форматы YM3, YM4 и YM5 считаются устаревшими. Информацию по ним можно получить только по индивидуальному запросу автору. Вся последующая информация специфична для формата YM6.

2. Базовый принцип хранения данных​

YM6 — это файл, хранящий копию (дамп) регистров звукового чипа. В чип-музыке регистры звука обычно обновляются один раз за кадр. Частота обновления кадров обычно равна 50 Гц (Frame Rate).

Один кадр данных в формате YM6 имеет размер 16 байт (14 байт данных регистров YM-2149 и 2 байта расширенной информации).

Для примера, 6-минутная песня с частотой обновления 50 Гц потребует 288 000 байт (примерно 282 КБ) для хранения всех значений регистров. Это довольно много для формата звукового чипа.

Для решения этой проблемы данные в файле чередуются определённым образом (interleaved), что позволяет эффективно их упаковывать с помощью архиватора LHA. Именно поэтому YM-файлы в интернете обычно имеют размер от 1 до 10 КБ.

3. Упаковка (Packer)​

YM-файл может храниться на диске в двух видах: распакованном или упакованном. Для упаковки необходимо использовать свободно распространяемый архиватор LHA, написанный Харуясу Йошизаки (Haruyazu Yoshizaki). Почти все YM-файлы, доступные в сети, упакованы.

• Чтобы просмотреть содержимое упакованного YM-файла, используйте команду: lha e music1.ym.
• Критически важно для совместимости: Плеер ST-Sound поддерживает LZH-файлы только с заголовком уровня 0. При создании YM-файла всегда используйте флаг -h0, например: lha a -h0 music1.ym.

4. Типы данных в YM-файле​

Тип	Размер	Описание
BYTE	1 байт	Беззнаковое 8-битное целое число
WORD	2 байта	Беззнаковое 16-битное целое число (Big Endian, Motorola)
LWORD	4 байта	Беззнаковое 32-битное целое число (Big Endian, Motorola)
STRING[n]	n байт	ASCII-строка фиксированной длины
NT-String	Переменный	ASCII-строка, завершающаяся нулевым символом (Null-terminated string)

5. Полная структура заголовка YM6 (YM6 File Header)​

После распаковки файла, его начало должно соответствовать этой структуре:

Смещение	Тип	Размер	Описание
0	LWORD	4 байта	Идентификатор файла. Строка YM6!.
4	STRING[8]	8 байт	Проверочная строка. Всегда LeOnArD!.
12	LWORD	4 байта	Количество кадров (Nb of frame). Общее число 16-байтных кадров в файле.
16	LWORD	4 байта	Атрибуты песни (Song attributes). Битовое поле, определяющее свойства файла (например, признак чересстрочности данных).
20	WORD	2 байта	Количество Digi-Drum сэмплов. Может быть 0.
22	LWORD	4 байта	Частота мастер-клока YM. Частота основного тактового генератора в герцах. • 2 000 000 — для ATARI ST • 1 773 400 — для ZX Spectrum
26	WORD	2 байта	Частота кадров оригинального плеера. Традиционно 50 Гц.
28	LWORD	4 байта	Начальный кадр для зацикливания. Традиционно 0 для зацикливания с самого начала композиции.
32	WORD	2 байта	Размер дополнительных данных в байтах. Это поле зарезервировано для будущих расширений. Плеер должен пропускать это количество байт, чтобы корректно обработать данные. Сейчас всегда равно 0.

6. Данные Digi-Drum сэмплов​

Если поле по смещению 20 (количество сэмплов) больше нуля, то сразу после заголовка для каждого сэмпла идёт структура:

Смещение (Offset)	Тип (Type)	Размер (Size)	Описание (Description)
34+	LWORD	4	Размер сэмпла (Sample size): Размер последующих данных сэмпла.
38+	BYTES	n	Данные сэмпла (Sample data): Данные 8-битного сэмпла.

7. Текстовые метаданные​

Сразу после блока сэмплов (или после заголовка, если сэмплов нет) идут три строковых поля, расположенных последовательно друг за другом:

1. Название песни (Song name) — NT-String.
2. Имя автора (Author name) — NT-String.
3. Комментарий к песне (Song comment) — NT-String.

8. Блок данных регистров​

Сразу после трёх NULL-терминированных строк начинается основной блок данных регистров.

Общий размер: 16 * Количество кадров байт.

Структура хранения:
Каждый кадр состоит из 16 байт, условно обозначим их r0, r1, ..., r15. Порядок хранения этих кадров в файле зависит от флага "interleaved" в поле "Атрибуты песни".

• Нечередующийся формат: Кадры записываются целиком друг за другом.
  [r0_0, r1_0... r15_0], [r0_1, r1_1... r15_1], ...
• Чередующийся формат (почти всегда используется он): Сначала идут все r0 для всех кадров, затем все r1 для всех кадров и т.д. Этот метод значительно улучшает сжатие.
  [r0_0, r0_1, r0_2...], [r1_0, r1_1, r1_2...], ... [r15_0, r15_1, r15_2...]

9. Маркер конца файла​

Сразу после блока данных регистров, в самом конце файла, должен находиться завершающий идентификатор:

Тип	Размер	Описание
LWORD	4 байта	Маркер конца. Должен быть строкой End!.

10. Детальное описание одного кадра (16 байт)​

Таблица описывает назначение каждого бита в 16-байтном кадре для классической чип-музыки. Биты перечислены от старшего (b7) к младшему (b0).

Регистр	Биты (b7 - b0)	Описание
r0	x x x x x x x x	Грубый период (тон) Голоса A
r1	- - - - x x x x	Точный период Голоса A
r2	x x x x x x x x	Грубый период (тон) Голоса B
r3	- - - - x x x x	Точный период Голоса B
r4	x x x x x x x x	Грубый период (тон) Голоса C
r5	- - - - x x x x	Точный период Голоса C
r6	- - - x x x x x	Период шума
r7	- - x x x x x x	Управление микшером
r8	- - - x x x x x	Управление громкостью A
r9	- - - x x x x x	Управление громкостью B
r10	- - - x x x x x	Управление громкостью C
r11	x x x x x x x x	Старший байт периода огибающей
r12	x x x x x x x x	Младший байт периода огибающей
r13	- - - - x x x x	Форма огибающей
r14	Пустой регистр	Зарезервирован для расширенных данных (все биты 0)
r15	Пустой регистр	Зарезервирован для расширенных данных (все биты 0)

Для классических мелодий без спецэффектов: Биты, помеченные "x", заполняются значениями из регистров чипа YM2149. Все остальные биты должны быть установлены в 0.

---

​

 

[admin]

11. Расширенные эффекты YM​

Формат YM6 поддерживает специальные трюки с чипом ATARI для создания сложных звуков, называемые "спецэффектами". Всего поддерживается 4 таких эффекта, в каждом кадре можно запустить до двух.

Эти эффекты используют прерывания программируемого таймера ATARI. Таймер ATARI описывается двумя значениями: предделителем и счётчиком.

• Мастер-частота системы: 2 457 600 Гц.
• Предделитель (TP): 3-битное значение. Задаёт, на сколько делится мастер-частота.
• Счётчик (TC): Частота прерывания вычисляется как (2 457 600 / Делитель) / Счётчик.

Например, при TP=1 и TC=28 получается частота прерывания 21 492 Гц: (2 457 600 / 4) / 28.

Таблица кодирования предделителя таймера:

Код TP	Реальный делитель
000	Таймер остановлен
001	4
010	10
011	16
100	50
101	64
110	100
111	200

Список поддерживаемых спецэффектов:

Эффект	Описание
Digi-Drum	Проигрывание короткого 4-битного сэмпла на одном из голосов. Традиционно используется для добавления реалистичных ударных в музыку.
SID-Voice	Трюк с низким потреблением ресурсов ЦПУ. Использует прерывания для генерации прямоугольной волны (square tone), которая микшируется с тоном YM2149, создавая звук, напоминающий чип SID от Commodore 64.
Sinus-SID	Эффект, технически близкий к Digi-Drum. Проигрывается короткий 4-битный сэмпл для создания синусоидальной волны.
Sync-Buzzer	Один из самых крутых эффектов. Использует прерывания для записи значений в регистр 13 (форма огибающей) чипа YM2149. Поскольку запись в R13 сбрасывает огибающую и устанавливает новую форму волны, это позволяет создавать уникальные звуковые эффекты.

 

[Eugene]

Уточнение по поводу формата PT3 TurboSound. Выше описан так называемый "новый" формат TS.
Protracker v3.7 от Alone Coder'а использовал так называемый "старый" формат. Технически он представляет собой один 6-канальный модуль (два набора позиций и паттернов). Определяется по следующей сигнатуре:

• байт 13 должен быть больше или равен #37;
• байт 98 должен равен #30;

AyEmul показывает такие модули как PT3TS (вместо PT3x2).
Примеры таких модулей в приложении.