🎵 MIDI 파일 파서 및 플레이어 구현: C로 음악의 세계를 코딩하자! 🎹

안녕하세요, 음악과 프로그래밍의 매력적인 조합에 관심 있는 여러분! 오늘은 정말 흥미진진한 주제로 여러분과 함께할 거예요. 바로 'MIDI 파일 파서 및 플레이어 구현'에 대해 알아볼 건데요, 이게 무슨 말인지 모르겠다고요? 걱정 마세요! 제가 쉽고 재미있게 설명해드릴게요. 🤓

우리가 흔히 듣는 음악 파일 중에 MIDI라는 게 있죠. 이 MIDI 파일을 읽고 재생하는 프로그램을 C 언어로 만들어보는 거예요. 말하자면, 우리만의 작은 음악 플레이어를 만드는 거죠! 어때요, 벌써부터 신나지 않나요? 🎉

이 글을 통해 여러분은 MIDI 파일의 구조를 이해하고, 이를 파싱하는 방법, 그리고 실제로 소리를 내는 플레이어를 구현하는 방법까지 배우게 될 거예요. 마치 퍼즐을 맞추듯이, 하나하나 조각을 맞춰가면서 우리만의 음악 세계를 만들어갈 거예요!

자, 그럼 이제 본격적으로 시작해볼까요? 여러분의 코딩 실력과 음악적 감각을 한껏 발휘할 시간이에요! 레츠고~ 🚀

🎼 MIDI란 무엇인가요?

MIDI(Musical Instrument Digital Interface)는 음악을 디지털로 표현하는 표준 방식이에요. 쉽게 말해서, 악기와 컴퓨터가 서로 대화할 수 있게 해주는 언어라고 생각하면 돼요. 근데 이게 왜 중요할까요? 🤔

MIDI 파일은 실제 음악 소리를 담고 있는 게 아니라, 음악을 연주하는 방법에 대한 정보를 담고 있어요. 예를 들면 "이 음을 이 시점에 이 길이만큼 연주해"라는 식의 지시사항들이 들어있는 거죠. 그래서 파일 크기가 작고, 수정하기도 쉬워요. 완전 꿀이죠? 🍯

MIDI의 장점:

파일 크기가 작아요 (MP3나 WAV에 비해 훨씬!)
쉽게 편집할 수 있어요 (음의 높낮이, 길이, 악기 등을 마음대로 바꿀 수 있죠)
다양한 악기 소리를 표현할 수 있어요
컴퓨터나 신디사이저 등 다양한 기기에서 재생할 수 있어요

MIDI 파일은 보통 .mid나 .midi 확장자를 가지고 있어요. 여러분이 평소에 듣는 MP3 파일과는 좀 다르죠? MP3는 실제 녹음된 소리를 담고 있지만, MIDI는 음악을 연주하기 위한 '설명서' 같은 거예요. 그래서 MIDI 파일을 열어보면 이상한 기호들만 보일 거예요. 하지만 걱정 마세요! 우리가 만들 프로그램이 이 기호들을 읽고 멋진 음악으로 바꿔줄 거니까요! 😎

자, 이제 MIDI가 뭔지 대충 감이 오시나요? 그럼 이제 본격적으로 MIDI 파일을 파싱하고 재생하는 프로그램을 만들어볼까요? 여러분의 코딩 실력을 한껏 뽐낼 시간이에요! 💪

🔍 MIDI 파일 구조 이해하기

MIDI 파일을 파싱하려면 먼저 그 구조를 이해해야 해요. MIDI 파일은 마치 레고 블록처럼 여러 개의 '청크(Chunk)'로 이루어져 있어요. 각 청크는 특정한 정보를 담고 있죠. 주요한 청크 두 가지를 살펴볼게요.

1. 헤더 청크 (Header Chunk)

파일의 맨 앞에 있는 청크로, MIDI 파일의 기본 정보를 담고 있어요.

MIDI 파일 형식 (0, 1, 2 중 하나)
트랙 수
시간 단위 (타이밍 정보)

2. 트랙 청크 (Track Chunk)

실제 음악 데이터를 담고 있는 청크예요. 여러 개의 트랙 청크가 있을 수 있어요.

노트 온/오프 이벤트 (어떤 음을 언제 켜고 끌지)
프로그램 체인지 (어떤 악기를 사용할지)
컨트롤러 이벤트 (음량, 피치 벤드 등)
메타 이벤트 (템포, 박자, 가사 등)

이 구조를 이해하는 게 왜 중요할까요? 바로 이 구조를 기반으로 MIDI 파일을 읽고 해석할 거니까요! 마치 암호를 해독하는 것처럼 말이에요. 😉

자, 이제 MIDI 파일이 어떻게 생겼는지 감이 오시나요? 이 구조를 이해하면 MIDI 파일을 읽고 해석하는 게 훨씬 쉬워질 거예요. 마치 퍼즐을 맞추는 것처럼, 각 청크의 정보를 하나씩 해석해 나가면 결국 전체 음악의 모습이 드러나는 거죠!

다음 섹션에서는 이 구조를 바탕으로 실제로 C 언어를 사용해 MIDI 파일을 파싱하는 방법을 알아볼 거예요. 코딩의 세계로 한 발짝 더 들어가 볼까요? 🚶‍♂️💻

🖥️ C 언어로 MIDI 파일 파싱하기

자, 이제 진짜 재미있는 부분이 시작됩니다! C 언어를 사용해서 MIDI 파일을 파싱해볼 거예요. 뭔가 어려워 보이나요? 걱정 마세요. 천천히 하나씩 해보면 생각보다 쉬울 거예요. 😊

먼저, MIDI 파일을 읽기 위한 기본적인 구조체들을 정의해볼게요.


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

typedef struct {
    char chunk_type[4];
    uint32_t length;
    uint16_t format;
    uint16_t num_tracks;
    uint16_t division;
} MIDIHeader;

typedef struct {
    char chunk_type[4];
    uint32_t length;
    uint8_t *data;
} MIDITrack;

우와~ 뭔가 있어 보이는 코드가 나왔죠? ㅋㅋㅋ 하나씩 설명해드릴게요!

MIDIHeader: MIDI 파일의 헤더 정보를 저장하는 구조체예요. 파일 형식, 트랙 수, 시간 단위 등의 정보가 들어있어요.
MIDITrack: 각 트랙의 정보를 저장하는 구조체예요. 트랙 데이터의 길이와 실제 데이터를 포함하고 있죠.

이제 이 구조체들을 사용해서 MIDI 파일을 읽어보겠습니다. 아래의 함수를 보세요.


MIDIHeader read_midi_header(FILE *file) {
    MIDIHeader header;
    fread(header.chunk_type, 1, 4, file);
    fread(&header.length, 4, 1, file);
    fread(&header.format, 2, 1, file);
    fread(&header.num_tracks, 2, 1, file);
    fread(&header.division, 2, 1, file);
    
    // 엔디안 변환 (필요한 경우)
    header.length = __builtin_bswap32(header.length);
    header.format = __builtin_bswap16(header.format);
    header.num_tracks = __builtin_bswap16(header.num_tracks);
    header.division = __builtin_bswap16(header.division);
    
    return header;
}

이 함수는 MIDI 파일의 헤더를 읽어오는 역할을 해요. fread 함수를 사용해서 파일에서 데이터를 읽어오고, 필요한 경우 엔디안 변환도 수행하고 있어요. 엔디안이 뭐냐고요? 간단히 말해서 컴퓨터가 데이터를 저장하는 순서예요. MIDI 파일은 빅 엔디안 방식을 사용하기 때문에, 대부분의 컴퓨터에서 사용하는 리틀 엔디안 방식으로 변환해줘야 해요.

다음으로, 트랙을 읽어오는 함수를 볼까요?


MIDITrack read_midi_track(FILE *file) {
    MIDITrack track;
    fread(track.chunk_type, 1, 4, file);
    fread(&track.length, 4, 1, file);
    
    // 엔디안 변환
    track.length = __builtin_bswap32(track.length);
    
    // 트랙 데이터 읽기
    track.data = (uint8_t*)malloc(track.length);
    fread(track.data, 1, track.length, file);
    
    return track;
}

이 함수는 각 트랙의 데이터를 읽어오는 역할을 해요. 트랙의 길이만큼 메모리를 할당하고, 그 안에 트랙 데이터를 저장하고 있어요. 메모리 할당? 뭔가 어려워 보이죠? 하지만 걱정 마세요. 그냥 트랙 데이터를 저장할 공간을 만들어주는 거예요. 😉

이제 이 함수들을 사용해서 MIDI 파일을 파싱하는 메인 함수를 만들어볼까요?


int main() {
    FILE *file = fopen("example.mid", "rb");
    if (!file) {
        printf("파일을 열 수 없어요 ㅠㅠ\n");
        return 1;
    }

    MIDIHeader header = read_midi_header(file);
    printf("MIDI 형식: %d\n", header.format);
    printf("트랙 수: %d\n", header.num_tracks);

    for (int i = 0; i < header.num_tracks; i++) {
        MIDITrack track = read_midi_track(file);
        printf("트랙 %d 길이: %d\n", i+1, track.length);
        // 여기서 트랙 데이터를 처리할 수 있어요!
        free(track.data);  // 메모리 해제 잊지 마세요!
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

우와~ 드디어 완성이에요! 이 코드는 MIDI 파일을 열고, 헤더를 읽은 다음, 각 트랙의 정보를 출력해줘요. 실제로 이 코드를 실행하면, MIDI 파일의 기본 구조를 볼 수 있을 거예요.

주의사항: 실제 MIDI 파일 파싱은 이것보다 훨씬 복잡할 수 있어요. 다양한 이벤트 타입을 처리하고, 델타 타임을 해석하는 등의 작업이 추가로 필요하죠. 하지만 이 코드로 기본적인 구조를 이해할 수 있어요!

여기까지 따라오느라 정말 수고 많으셨어요! 🎉 MIDI 파일 파싱의 기초를 배웠네요. 이제 이 지식을 바탕으로 더 복잡한 MIDI 처리도 할 수 있을 거예요. 다음 섹션에서는 파싱한 MIDI 데이터를 어떻게 소리로 만들 수 있는지 알아볼 거예요. 기대되지 않나요? 😄

🎵 MIDI 플레이어 구현하기

자, 이제 우리가 파싱한 MIDI 데이터를 실제로 소리로 만들어볼 차례예요! 이 부분이 진짜 신나는 부분이죠. 우리가 만든 코드로 음악이 흘러나오는 걸 상상해보세요. 완전 대박 아니에요? ㅋㅋㅋ

MIDI 데이터를 소리로 변환하려면 몇 가지 단계가 필요해요:

MIDI 이벤트 해석하기
소리 생성하기
오디오 출력하기

하나씩 살펴볼게요!

1. MIDI 이벤트 해석하기

MIDI 트랙에는 다양한 이벤트가 있어요. 가장 중요한 건 "Note On"과 "Note Off" 이벤트예요. 이걸 해석하는 함수를 만들어볼게요.


typedef struct {
    uint8_t type;
    uint8_t note;
    uint8_t velocity;
    uint32_t delta_time;
} MIDIEvent;

MIDIEvent parse_midi_event(uint8_t *data, int *index) {
    MIDIEvent event;
    event.delta_time = read_variable_length(data, index);
    
    if ((data[*index] & 0x80) == 0) {
        // Running status
        event.type = prev_status;
    } else {
        event.type = data[(*index)++];
    }
    
    if ((event.type & 0xF0) == 0x90) {
        // Note On event
        event.note = data[(*index)++];
        event.velocity = data[(*index)++];
    } else if ((event.type & 0xF0) == 0x80) {
        // Note Off event
        event.note = data[(*index)++];
        event.velocity = data[(*index)++];
    }
    // 다른 이벤트 타입도 처리할 수 있어요!
    
    return event;
}

우와, 뭔가 복잡해 보이죠? 하지만 걱정 마세요. 이 함수는 MIDI 데이터에서 이벤트를 하나씩 읽어오는 역할을 해요. "Note On"은 음을 시작하는 거고, "Note Off"는 음을 끝내는 거예요. 마치 피아노 건반을 누르고 떼는 것과 같죠!

2. 소리 생성하기

이제 MIDI 이벤트를 해석했으니, 실제 소리를 만들어볼 차례예요. 여기서는 간단한 사인파를 사용해서 소리를 만들어볼게요.


#include <math.h>

#define SAMPLE_RATE 44100

double generate_sine_wave(double frequency, double time) {
    return sin(2 * M_PI * frequency * time);
}

void play_note(int note, double duration) {
    double frequency = 440.0 * pow(2, (note - 69) / 12.0);
    int num_samples = duration * SAMPLE_RATE;
    
    for (int i = 0; i < num_samples; i++) {
        double time = (double)i / SAMPLE_RATE;
        double sample = generate_sine_wave(frequency, time);
        // 여기서 sample을 오디오 출력 버퍼에 추가해요
    }
}

이 코드는 MIDI 노트 번호를 받아서 해당하는 주파수의 사인파를 생성해요. 실제 악기 소리는 이것보다 훨씬 복잡하지만, 기본 원리는 이와 같아요!

3. 오디오 출력하기

마지막으로, 생성한 소리를 실제로 들을 수 있게 출력해야 해요. 이 부분은 운영 체제나 사용하는 오디오 라이브러리에 따라 다를 수 있어요. 여기서는 간단히 PortAudio 라이브러리를 사용한 예시를 들어볼게요.


#include <portaudio.h>

#define FRAMES_PER_BUFFER 256

typedef struct {
    // 오디오 데이터를 저장할 구조체
} paTestData;

static int patestCallback(const void *inputBuffer, void *outputBuffer,
                          unsigned long framesPerBuffer,
                          const PaStreamCallbackTimeInfo* timeInfo,
                          PaStreamCallbackFlags statusFlags,
                          void *userData) {
    paTestData *data = (paTestData*)userData;
    float *out = (float*)outputBuffer;
    unsigned long i;

    (void) inputBuffer; // 입력은 사용하지 않아요

    for (i = 0; i < framesPerBuffer; i++) {
        *out++ = data->left_phase;  // 왼쪽 채널
        *out++ = data->right_phase;  // 오른쪽 채널
        // 여기서 다음 샘플을 계산해요
    }
    return paContinue;
}

// PortAudio 초기화 및 스트림 시작
Pa_Initialize();
PaStream *stream;
Pa_OpenDefaultStream(&stream, 0, 2, paFloat32, SAMPLE_RATE, FRAMES_PER_BUFFER, patestCallback, &data);
Pa_StartStream(stream);

// MIDI 이벤트 처리 및 소리 생성
// ...

// 스트림 정지 및 PortAudio 종료
Pa_StopStream(stream);
Pa_CloseStream(stream);
Pa_Terminate();

우와~ 정말 대단하죠? 이제 우리가 만든 MIDI 파서와 플레이어가 실제로 동작할 수 있어요! 🎉

팁: 실제 MIDI 플레이어를 만들 때는 여러 음을 동시에 재생하고, 다양한 악기 소리를 지원하는 등 더 많은 기능이 필요해요. 하지만 이 코드로 기본적인 구조를 이해할 수 있어요!

여기까지 따라오느라 정말 수고 많으셨어요! 이제 여러분은 MIDI 파일을 파싱하고, 그 데이터를 바탕으로 실제 소리를 만들어낼 수 있는 기본적인 지식을 갖게 되었어요. 이걸 바탕으로 더 멋진 MIDI 플레이어를 만들 수 있을 거예요. 어때요, 음악과 프로그래밍의 조화가 정말 멋지지 않나요? 🎹💻

다음 섹션에서는 우리가 만든 MIDI 플레이어를 더 발전시킬 수 있는 방법들에 대해 알아볼 거예요. 기대되지 않나요? 😄

🚀 MIDI 플레이어 개선하기

우와~ 여기까지 오느라 정말 대단해요! 🎉 이제 우리는 기본적인 MIDI 파서와 플레이어를 가지고 있어요. 하지만 우리가 만든 건 아직 초보 단계죠. 이걸 어떻게 더 멋지게 만들 수 있을까요? 함께 알아봐요!

1. 다중 트랙 지원 🎼

지금까지는 한 번에 하나의 음만 재생할 수 있었어요. 하지만 실제 음악은 여러 악기가 동시에 연주되죠. 이를 구현하기 위해 우리의 코드를 수정해볼까요?


#define MAX_TRACKS 16  typedef struct {
    double frequency;
    double amplitude;
    double duration;
    bool active;
} Note;

Note tracks[MAX_TRACKS][128];  // 각 트랙별로 128개의 MIDI 노트를 지원

void play_multi_track(double time) {
    double sample = 0.0;
    for (int track = 0; track < MAX_TRACKS; track++) {
        for (int note = 0; note < 128; note++) {
            if (tracks[track][note].active) {
                sample += generate_sine_wave(tracks[track][note].frequency, time) 
                          * tracks[track][note].amplitude;
                tracks[track][note].duration -= 1.0 / SAMPLE_RATE;
                if (tracks[track][note].duration <= 0) {
                    tracks[track][note].active = false;
                }
            }
        }
    }
    // 여기서 sample을 오디오 출력 버퍼에 추가해요
}

이렇게 하면 여러 트랙의 음을 동시에 재생할 수 있어요. 마치 오케스트라처럼요! 🎻🎷🎺

2. 다양한 악기 소리 구현 🎹

지금은 단순한 사인파만 사용하고 있어요. 하지만 실제 MIDI는 다양한 악기 소리를 지원하죠. 각 악기마다 고유한 파형을 만들어 더 풍부한 소리를 낼 수 있어요.


typedef enum {
    SINE,
    SQUARE,
    SAWTOOTH,
    TRIANGLE
} WaveformType;

double generate_waveform(WaveformType type, double frequency, double time) {
    switch(type) {
        case SINE:
            return sin(2 * M_PI * frequency * time);
        case SQUARE:
            return sin(2 * M_PI * frequency * time) > 0 ? 1.0 : -1.0;
        case SAWTOOTH:
            return 2 * (frequency * time - floor(frequency * time + 0.5));
        case TRIANGLE:
            return fabs(4 * (frequency * time - floor(frequency * time + 0.25)) - 2) - 1;
        default:
            return 0.0;
    }
}

이제 각 악기마다 다른 파형을 사용할 수 있어요. 피아노는 복잡한 파형을, 플루트는 부드러운 사인파를 사용하는 식으로요. 정말 멋지죠? 🎵

3. 효과 추가하기 🌟

실제 음악에는 다양한 효과가 들어가요. 예를 들어 리버브(잔향)나 코러스 같은 것들이죠. 이런 효과들을 추가해보는 건 어떨까요?


#define REVERB_BUFFER_SIZE 44100  // 1초 길이의 리버브

double reverb_buffer[REVERB_BUFFER_SIZE] = {0};
int reverb_index = 0;

double apply_reverb(double input) {
    double output = input + 0.5 * reverb_buffer[reverb_index];
    reverb_buffer[reverb_index] = input;
    reverb_index = (reverb_index + 1) % REVERB_BUFFER_SIZE;
    return output;
}

// 메인 오디오 처리 함수에서
sample = apply_reverb(sample);

와우! 이제 우리의 MIDI 플레이어에 멋진 잔향 효과가 추가되었어요. 마치 콘서트홀에서 연주하는 것 같은 느낌이 들지 않나요? 🏛️

4. 사용자 인터페이스 개선 🖥️

지금까지는 콘솔에서만 작업했지만, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 추가하면 더욱 사용하기 편리해질 거예요. SDL나 SFML 같은 라이브러리를 사용해서 간단한 GUI를 만들어볼 수 있어요.


#include <SDL2/SDL.h>

// SDL 초기화
SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);
SDL_Window* window = SDL_CreateWindow("MIDI Player", SDL_WINDOWPOS_UNDEFINED, SDL_WINDOWPOS_UNDEFINED, 640, 480, SDL_WINDOW_SHOWN);
SDL_Renderer* renderer = SDL_CreateRenderer(window, -1, SDL_RENDERER_ACCELERATED);

// 메인 루프
SDL_Event e;
bool quit = false;
while (!quit) {
    while (SDL_PollEvent(&e) != 0) {
        if (e.type == SDL_QUIT) {
            quit = true;
        }
    }

    // 여기서 화면을 그리고 업데이트해요
    SDL_SetRenderDrawColor(renderer, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF);
    SDL_RenderClear(renderer);
    // 피아노 건반이나 재생 버튼 등을 그릴 수 있어요
    SDL_RenderPresent(renderer);
}

// SDL 정리
SDL_DestroyRenderer(renderer);
SDL_DestroyWindow(window);
SDL_Quit();

이제 우리의 MIDI 플레이어가 눈으로 볼 수 있는 인터페이스를 가지게 되었어요! 재생 버튼, 볼륨 조절, 현재 재생 중인 노트를 시각화하는 등 다양한 기능을 추가할 수 있겠죠? 🖱️