Vue 3响应性系统与Web MIDI API集成：实现实时音乐流的状态同步与调度

Vue 3 响应性系统与 Web MIDI API 集成：实现实时音乐流的状态同步与调度

大家好！今天我们来聊聊如何将 Vue 3 的响应式系统与 Web MIDI API 集成，从而实现实时音乐流的状态同步与调度。这是一个非常有趣且实用的课题，它允许我们构建交互式的音乐应用，例如音序器、虚拟乐器等。

1. 前置知识：Vue 3 响应式系统与 Web MIDI API

在深入探讨集成方案之前，我们需要对 Vue 3 的响应式系统和 Web MIDI API 有一个基本的了解。

1.1 Vue 3 响应式系统

Vue 3 的响应式系统是其核心特性之一，它允许我们以声明式的方式管理应用的状态，并且当状态发生变化时，自动更新视图。Vue 3 提供了以下几个关键的 API：

• reactive(): 将一个普通 JavaScript 对象转换为响应式对象。任何对响应式对象属性的访问或修改都会被追踪。
• ref(): 创建一个包装任何值的响应式引用。ref 对象拥有一个 .value 属性，用于访问或修改内部值。
• computed(): 创建一个计算属性，它的值基于其他响应式状态自动计算。计算属性只有在其依赖的响应式状态发生变化时才会重新计算。
• watch(): 侦听一个响应式状态的变化，并在状态变化时执行回调函数。

1.2 Web MIDI API

Web MIDI API 允许 Web 应用与 MIDI 设备进行通信，例如 MIDI 键盘、合成器等。通过 Web MIDI API，我们可以发送和接收 MIDI 消息，从而控制音乐设备的各种参数。Web MIDI API 的关键接口包括：

• navigator.requestMIDIAccess(): 请求 MIDI 访问权限。
• MIDIAccess: 表示 MIDI 访问对象，包含输入和输出端口的信息。
• MIDIInput: 表示 MIDI 输入端口，可以监听 MIDI 消息。
• MIDIOutput: 表示 MIDI 输出端口，可以发送 MIDI 消息。
• MIDIMessageEvent: 表示 MIDI 消息事件，包含 MIDI 消息数据。

2. 集成方案：状态同步与调度

我们的目标是创建一个系统，其中 Vue 3 组件的状态可以与 MIDI 设备的状态同步，并且能够通过 Vue 3 的响应式系统调度 MIDI 消息的发送。

2.1 MIDI 输入事件的处理与状态更新

首先，我们需要处理 MIDI 输入事件，并将接收到的 MIDI 消息转换为 Vue 3 组件的状态。

import { ref, reactive, onMounted } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const midiAccess = ref(null);
    const midiInput = ref(null);
    const noteOn = reactive({}); // 存储每个音符的状态，例如 { 60: true, 62: false }
    const controlValues = reactive({}); // 存储控制器的值，例如 { 74: 64, 75: 127 }

    const onMIDISuccess = (access) => {
      midiAccess.value = access;
      const inputs = access.inputs.values();
      for (let input = inputs.next(); input && !input.done; input = inputs.next()) {
        midiInput.value = input.value;
        midiInput.value.onmidimessage = onMIDIMessage;
      }
    };

    const onMIDIFailure = (msg) => {
      console.error(`Failed to get MIDI access - ${msg}`);
    };

    const onMIDIMessage = (message) => {
      const data = message.data;
      const command = data[0] >> 4; // 获取 MIDI 消息的类型
      const channel = data[0] & 0xF; // 获取 MIDI 通道
      const note = data[1]; // 音符编号
      const velocity = data[2]; // 音符力度

      switch (command) {
        case 9: // Note On
          noteOn[note] = velocity > 0; // 只有 velocity 大于 0 才认为是 Note On
          break;
        case 8: // Note Off
          noteOn[note] = false;
          break;
        case 11: // Control Change
          const controlNumber = note; // 这里 note 实际上是 controlNumber
          controlValues[controlNumber] = velocity;
          break;
        default:
          console.log(`Unknown MIDI message: ${data}`);
      }
    };

    onMounted(() => {
      navigator.requestMIDIAccess()
        .then(onMIDISuccess, onMIDIFailure);
    });

    return {
      midiAccess,
      midiInput,
      noteOn,
      controlValues,
    };
  },
};

这段代码首先使用 navigator.requestMIDIAccess() 请求 MIDI 访问权限。如果成功，它会获取第一个 MIDI 输入端口，并注册 onMIDIMessage 函数来处理 MIDI 消息。onMIDIMessage 函数会根据 MIDI 消息的类型更新 noteOn 和 controlValues 这两个响应式对象，从而实现状态同步。

2.2 通过 Vue 3 响应式系统调度 MIDI 消息

现在，我们可以利用 Vue 3 的响应式系统，根据组件的状态调度 MIDI 消息的发送。

import { ref, reactive, watch, onMounted } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const midiAccess = ref(null);
    const midiOutput = ref(null);
    const currentNote = ref(60); // 当前播放的音符
    const velocity = ref(100); // 音符力度

    const onMIDISuccess = (access) => {
      midiAccess.value = access;
      const outputs = access.outputs.values();
      for (let output = outputs.next(); output && !output.done; output = outputs.next()) {
        midiOutput.value = output.value;
      }
    };

    const onMIDIFailure = (msg) => {
      console.error(`Failed to get MIDI access - ${msg}`);
    };

    const sendNoteOn = (note, velocity) => {
      if (midiOutput.value) {
        midiOutput.value.send([0x90, note, velocity]); // Note On, Channel 1
      }
    };

    const sendNoteOff = (note) => {
      if (midiOutput.value) {
        midiOutput.value.send([0x80, note, 0]); // Note Off, Channel 1
      }
    };

    // 监听 currentNote 的变化，发送 MIDI 消息
    watch(currentNote, (newNote, oldNote) => {
      if (oldNote !== undefined) {
        sendNoteOff(oldNote); // 先关闭旧音符
      }
      sendNoteOn(newNote, velocity.value); // 播放新音符
    });

    // 监听 velocity 的变化，更新当前音符的力度
    watch(velocity, (newVelocity) => {
      if (currentNote.value) {
        sendNoteOn(currentNote.value, newVelocity); // 更新当前音符的力度
      }
    });

    onMounted(() => {
      navigator.requestMIDIAccess()
        .then(onMIDISuccess, onMIDIFailure);
    });

    return {
      midiAccess,
      midiOutput,
      currentNote,
      velocity,
    };
  },
  template: `
    <div>
      <input type="range" min="0" max="127" v-model.number="currentNote">
      <input type="range" min="0" max="127" v-model.number="velocity">
      <p>Current Note: {{ currentNote }}</p>
      <p>Velocity: {{ velocity }}</p>
    </div>
  `,
};

在这个例子中，我们使用 ref() 创建了 currentNote 和 velocity 两个响应式引用。然后，我们使用 watch() 监听这两个值的变化，并在变化时发送相应的 MIDI 消息。当 currentNote 改变时，我们会先发送 Note Off 消息关闭旧音符，然后再发送 Note On 消息播放新音符。当 velocity 改变时，我们会更新当前音符的力度。

3. 高级应用：音序器与虚拟乐器

掌握了基本的集成方案后，我们可以构建更复杂的应用，例如音序器和虚拟乐器。

3.1 音序器

音序器是一种可以录制、编辑和播放 MIDI 数据的设备。我们可以使用 Vue 3 的响应式系统来管理音序器的状态，例如音符序列、速度、节拍等。

import { ref, reactive, watch, onMounted } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const midiAccess = ref(null);
    const midiOutput = ref(null);
    const sequence = reactive([
      [60, 0.5], // 音符 60，持续 0.5 秒
      [62, 0.5],
      [64, 0.5],
      [65, 0.5],
    ]);
    const bpm = ref(120); // 每分钟节拍数
    const isPlaying = ref(false);

    let timer = null;

    const onMIDISuccess = (access) => {
      midiAccess.value = access;
      const outputs = access.outputs.values();
      for (let output = outputs.next(); output && !output.done; output = outputs.next()) {
        midiOutput.value = output.value;
      }
    };

    const onMIDIFailure = (msg) => {
      console.error(`Failed to get MIDI access - ${msg}`);
    };

    const sendNoteOn = (note, velocity) => {
      if (midiOutput.value) {
        midiOutput.value.send([0x90, note, velocity]); // Note On, Channel 1
      }
    };

    const sendNoteOff = (note) => {
      if (midiOutput.value) {
        midiOutput.value.send([0x80, note, 0]); // Note Off, Channel 1
      }
    };

    const playSequence = () => {
      let currentIndex = 0;
      const interval = 60 / bpm.value * 1000; // 每次播放的间隔时间（毫秒）

      timer = setInterval(() => {
        const note = sequence[currentIndex][0];
        const duration = sequence[currentIndex][1];
        sendNoteOn(note, 100);
        setTimeout(() => {
          sendNoteOff(note);
        }, duration * interval);

        currentIndex = (currentIndex + 1) % sequence.length; // 循环播放
      }, interval);
    };

    const stopSequence = () => {
      clearInterval(timer);
      timer = null;
    };

    watch(isPlaying, (newValue) => {
      if (newValue) {
        playSequence();
      } else {
        stopSequence();
      }
    });

    onMounted(() => {
      navigator.requestMIDIAccess()
        .then(onMIDISuccess, onMIDIFailure);
    });

    return {
      midiAccess,
      midiOutput,
      sequence,
      bpm,
      isPlaying,
    };
  },
  template: `
    <div>
      <button @click="isPlaying = !isPlaying">{{ isPlaying ? 'Stop' : 'Play' }}</button>
      <input type="number" v-model.number="bpm">
      <p>BPM: {{ bpm }}</p>
      <pre>{{ sequence }}</pre>
    </div>
  `,
};

这个音序器可以播放一个简单的音符序列。我们使用 reactive() 创建了 sequence 数组来存储音符和持续时间，使用 ref() 创建了 bpm 和 isPlaying 两个响应式引用。当 isPlaying 变为 true 时，我们会启动一个定时器，定期播放音符序列。

3.2 虚拟乐器

虚拟乐器是一种可以通过 MIDI 设备控制的软件乐器。我们可以使用 Vue 3 的响应式系统来管理虚拟乐器的状态，例如音色、音量、效果器等。

import { ref, reactive, watch, onMounted } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const midiAccess = ref(null);
    const midiInput = ref(null);
    const midiOutput = ref(null);
    const currentNote = ref(null);
    const volume = ref(100);
    const waveform = ref('sine'); // 音色，例如 sine, square, sawtooth, triangle

    const audioContext = new AudioContext();
    const oscillator = audioContext.createOscillator();
    const gainNode = audioContext.createGain();

    oscillator.type = waveform.value;
    oscillator.connect(gainNode);
    gainNode.connect(audioContext.destination);
    oscillator.start();

    const onMIDISuccess = (access) => {
      midiAccess.value = access;
      const inputs = access.inputs.values();
      for (let input = inputs.next(); input && !input.done; input = inputs.next()) {
        midiInput.value = input.value;
        midiInput.value.onmidimessage = onMIDIMessage;
      }
      const outputs = access.outputs.values();
      for (let output = outputs.next(); output && !output.done; output = outputs.next()) {
        midiOutput.value = output.value;
      }
    };

    const onMIDIFailure = (msg) => {
      console.error(`Failed to get MIDI access - ${msg}`);
    };

    const onMIDIMessage = (message) => {
      const data = message.data;
      const command = data[0] >> 4;
      const note = data[1];
      const velocity = data[2];

      switch (command) {
        case 9: // Note On
          currentNote.value = note;
          playNote(note, velocity);
          break;
        case 8: // Note Off
          stopNote(note);
          break;
        default:
          console.log(`Unknown MIDI message: ${data}`);
      }
    };

    const playNote = (note, velocity) => {
      const frequency = 440 * Math.pow(2, (note - 69) / 12); // 计算音符的频率
      oscillator.frequency.setValueAtTime(frequency, audioContext.currentTime);
      gainNode.gain.setValueAtTime(velocity / 127 * volume.value / 100, audioContext.currentTime); // 根据力度和音量设置增益
    };

    const stopNote = (note) => {
      gainNode.gain.setValueAtTime(0, audioContext.currentTime);
      currentNote.value = null;
    };

    watch(volume, (newVolume) => {
      if (currentNote.value) {
        // 重新播放当前音符，更新音量
        playNote(currentNote.value, 100); // 使用默认力度重新播放
      }
    });

    watch(waveform, (newWaveform) => {
      oscillator.type = newWaveform;
    });

    onMounted(() => {
      navigator.requestMIDIAccess()
        .then(onMIDISuccess, onMIDIFailure);
    });

    return {
      midiAccess,
      midiInput,
      midiOutput,
      volume,
      waveform,
    };
  },
  template: `
    <div>
      <input type="range" min="0" max="100" v-model.number="volume">
      <p>Volume: {{ volume }}</p>
      <select v-model="waveform">
        <option value="sine">Sine</option>
        <option value="square">Square</option>
        <option value="sawtooth">Sawtooth</option>
        <option value="triangle">Triangle</option>
      </select>
      <p>Waveform: {{ waveform }}</p>
    </div>
  `,
};

这个虚拟乐器使用 Web Audio API 生成声音。我们使用 ref() 创建了 volume 和 waveform 两个响应式引用，分别控制音量和音色。当 volume 或 waveform 改变时，我们会更新 Web Audio API 的相应参数。

4. 性能优化与注意事项

在集成 Vue 3 响应式系统和 Web MIDI API 时，需要注意以下几点：

• 避免过度更新: MIDI 消息的频率可能非常高，因此需要避免过度更新 Vue 3 组件的状态。可以使用 debounce 或 throttle 等技术来限制状态更新的频率。
• 使用计算属性: 对于需要根据多个响应式状态计算的值，可以使用计算属性。计算属性只有在其依赖的响应式状态发生变化时才会重新计算，可以提高性能。
• 及时释放资源: 在组件卸载时，需要及时释放 MIDI 访问权限和 Web Audio API 的资源，例如断开连接、停止定时器等。
• 错误处理: Web MIDI API 的使用可能受到权限限制或其他因素的影响，因此需要进行适当的错误处理。

优化点	说明
避免过度更新	使用 debounce 或 throttle 控制状态更新频率，例如lodash库中的函数。
使用计算属性	对于复杂计算，使用 computed 缓存结果，避免重复计算。
及时释放资源	在 onBeforeUnmount 或 onUnmounted 钩子中释放 MIDI 访问权限和 Web Audio API 的资源。
错误处理	使用 try...catch 块处理 navigator.requestMIDIAccess() 调用可能出现的错误，并友好地提示用户。
状态管理	对于大型应用，考虑使用 Vuex 或 Pinia 等状态管理库，更好地组织和管理应用的状态。
虚拟化列表	如果需要显示大量的 MIDI 数据，例如音序器的音符列表，可以使用虚拟化列表技术，只渲染可见区域的数据，提高性能。
数据结构优化	选择合适的数据结构存储 MIDI 数据，例如使用 Map 存储音符状态，可以更快地查找和更新音符的状态。
Web Worker	将 MIDI 消息处理逻辑放到 Web Worker 中运行，避免阻塞主线程，提高应用的响应速度。
MIDI 设备兼容性	针对不同的 MIDI 设备进行兼容性测试，确保应用能够在各种设备上正常运行。

总结：集成Vue3响应式系统和Web MIDI API 的应用前景

总而言之，通过将 Vue 3 的响应式系统与 Web MIDI API 集成，我们可以构建各种各样的交互式音乐应用。无论是简单的音符播放器，还是复杂的音序器和虚拟乐器，Vue 3 提供的响应式能力都能让我们更轻松地管理应用的状态，并实现实时的状态同步与调度。这种集成方式为 Web 音乐应用开发带来了新的可能性，让我们可以创造出更加丰富和动态的音乐体验。

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