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@following_nginリンク情報システム株式会社

俺は静的"コード"解析がしたい。

Last updated at Posted at 2019-07-31

この記事は リンク情報システム の「2019 Tech Connect Summer」のリレー記事です。
engineer.hanzomon のグループメンバーによってリレーされます。

2019 Tech Connect Summer インデックスはこちら

1日目らしいです。頑張ります。
こんなニッチな記事が初っ端で大丈夫か。

俺の静的コード解析

静的コード解析とは

静的コード解析 (static code analysis) または静的プログラム解析 (static program analysis)とは、
コンピュータのソフトウェアの解析手法の一種であり、実行ファイルを実行することなく解析を行うこと。

Wiki:静的コード解析

ちょっと何言ってるかわかんない。(わかるけど)

コードと言ったら和音だろ！！！

(ここでいうコードはcodeではなくchord)
(エンジニアらしからぬ発言)

ということで「ギターフレット上で押さえたところからギターコードを解析する」プログラムを作成してみたいと思います。

要件定義

  • ギター上で押さえているフレットを指定できるGUI(音も鳴る)
  • 上記で指定した情報からコードを解析
  • そして俺にっこり

こんな感じですかね。

GUI(音も鳴る)

自分で「音も鳴る」とか書いておいて、全然どうすればいいかわかんないという悪夢
そんなリアルな音は求めてないので今回はMIDI音源を鳴らします。

MIDI音源を鳴らすテスト

GUI作成

  1. 以下のようなGUIを作成(まさにC#)
    MIDITEST01.PNG

  2. 以下のようなクラスを作成

class MIDISound : IDisposable
{
    //-------------------------------------------------
    // Windows Multimedia API
    [DllImport("Winmm.dll")]
    extern static uint midiOutOpen(ref IntPtr lphmo, uint uDeviceID, uint dwCallback, uint dwCallbackInstance, uint dwFlags);

    [DllImport("Winmm.dll")]
    extern static uint midiOutClose(IntPtr hmo);

    [DllImport("Winmm.dll")]
    extern static uint midiOutShortMsg(IntPtr hmo, uint dwMsg);

    private const uint MMSYSERR_NOERROR = 0;
    private const uint MIDI_MAPPER = 0xffffffff;
    //--------------------------------------------------

    private IntPtr hMidi;

    public MIDISound()
    {
        MidiApiOpen();
    }

    public void Dispose() => MidiApiClose();

    private bool MidiApiOpen()
    {
        bool bRet = false;

        //MidiデバイスのOpen
        if (midiOutOpen(ref this.hMidi, MIDI_MAPPER, 0, 0, 0) == MMSYSERR_NOERROR)
        {
            bRet = true;
            midiOutShortMsg(this.hMidi, 0x19c0);    // 音色を定義 アコースティックギター（スチール弦）0x19(25)
        }

        return bRet;
    }

    private bool MidiApiClose()
    {
        bool bRet = false;

        //MidiデバイスのClose
        if (midiOutClose(this.hMidi) == MMSYSERR_NOERROR)
        {
            bRet = true;
        }

        return bRet;
    }

    public void NoteOn(List<byte> keys)
    {
        byte ch = 0;
        byte velocity = 0x7f;

        foreach (byte key in keys)
        {
            uint msg;
            msg = (uint)((velocity << 16) + (key << 8) + 0x90 + ch);
            midiOutShortMsg(this.hMidi, msg);
        }
    }

    public void NoteOff(List<byte> keys)
    {
        byte ch = 0;
        byte velocity = 0x7f;

        foreach (byte key in keys)
        {
            uint msg;
            msg = (uint)((velocity << 16) + (key << 8) + 0x80 + ch);
            midiOutShortMsg(this.hMidi, msg);
        }
    }
}
  1. 以下のように呼び出す
MIDISound midi = new MIDISound();

//C#
List<byte> Chord = new List<byte>() { 0x31,0x36,0x3A };

private void button1_MouseDown(object sender, MouseEventArgs e)
{
    midi.NoteOn(Chord);
}

private void button1_MouseUp(object sender, MouseEventArgs e)
{
    midi.NoteOff(Chord);
}
  1. ボタンを押下する。

C#(ドの#)のメジャーコードが鳴りましたね。
(これがやりたかっただけ)

上記のソースを流用して以下のようなGUIを作成しました。
ラジオボタンをクリックするとMIDI音源が流れます。
以下を使ってギターで押さえた個所をコード分析します。
GUI01.PNG

指定した情報からコードを解析

ギターコードなんて死ぬほどたくさんあるので
「ここがルート音で、次の音がこれだけ離れてて…」なんて解析するのは至極面倒

midiファイルを読み込んだだけでコードの名前当ててくれる何かがあればなぁー
とか思っていたらpythonのmusic21というライブラリでできるようなので使ってみます。

それと同時に前章で作成したGUIからMIDIファイルを作成してみます。

・MIDIファイルの生成

MIDIファイルの構造を読み解くためにこのページを参考にしてプログラムを作成しました。
ってか難しいな…。実装したら予想以上に汚くなりました。


    private bool makeMidiFile(String midiFilePath)
    {
        bool ret = false;

        try
        {
            byte[] MThd = new byte[] { 0x4D, 0x54, 0x68, 0x64 };
            byte[] dataLength = new byte[] { 0x00, 0x00, 0x00, 0x06 };
            byte[] format = new byte[] { 0x00, 0x01 };
            byte[] tracknum = new byte[] { 0x00, 0x02 };
            byte[] trackLength = new byte[] { 0x00, 0x30 };

            //ヘッダ作成
            byte[] Header = JoinByteArray(MThd, dataLength, format, tracknum, trackLength);

            byte[] MTrk = new byte[] { 0x4D, 0x54, 0x72, 0x6B };
            byte[] TrackEnd = new byte[] { 0x00, 0xFF, 0x2F, 0x00 };
            byte[] ClockInfo = new byte[] { 0x00, 0xFF, 0x58, 0x04, 0x04, 0x02, 0x18, 0x08 };
            byte[] TempoInfo = new byte[] { 0x00, 0xFF, 0x51, 0x03, 0x07, 0xA1, 0x20 };

            byte[] TrackValue = new byte[] { 0x00, 0xC0, 0x19 };

            //playNotes -> GUIで指定した音
            foreach (byte note in playNotes)
            {
                TrackValue = JoinByteArray(TrackValue, new byte[] { 0x00, 0x90, note, 0x5F });
            }

            bool notFirst = false;
            foreach (byte note in playNotes)
            {
                if (notFirst == false)
                {
                    TrackValue = JoinByteArray(TrackValue, new byte[] { 0x40, 0x90, note, 0x00 });
                    notFirst = true;
                }
                else
                {
                    TrackValue = JoinByteArray(TrackValue, new byte[] { 0x00, 0x90, note, 0x00 });
                }
            }

            //バイナリファイルの内容作成
            byte[] midifile = JoinByteArray(Header,
                MTrk, new byte[] { 0x00, 0x00, 0x00, (byte)(ClockInfo.Length + TempoInfo.Length + TrackEnd.Length) }, ClockInfo, TempoInfo, TrackEnd,
                MTrk, new byte[] { 0x00, 0x00, 0x00, (byte)(TrackValue.Length + TrackEnd.Length) }, TrackValue, TrackEnd);

            FileStream fs = new FileStream(midiFilePath, FileMode.Create);
            BinaryWriter bw = new BinaryWriter(fs);

            bw.Write(midifile);

            bw.Close();
            fs.Close();

            ret = true;
        }
        catch (Exception ex)
        {
            ret = false;
        }

        return ret;
    }

    //複数のbyte配列を結合して一つのbyte配列にまとめる
    private byte[] JoinByteArray(params byte[][] arrays)
    {
        List<byte> ret = new List<byte>();

        foreach (byte[] array in arrays)
        {
            foreach (byte arr_m in array)
            {
                ret.Add(arr_m);
            }
        }
        return ret.ToArray();
    }

汚ねぇソースだ

一応midiファイルを作成することができました。

・解析を実行するPythonScriptの作成

  1. music21をインストール

    > py -m pip install music21

  2. 以下のようなスクリプトを作成

    import music21 as m21
import sys
import os

def midiChordAnalysis(path):
    try:
        piece = m21.converter.parse(path)
        bChords = piece.chordify()
        for thisChord in bChords.recurse().getElementsByClass('Chord'):
            print(thisChord.pitchedCommonName)
    except:
        print("Error : 読み込みエラー")
    return ()

if __name__ == '__main__':
    args = sys.argv
    if 2 <= len(args):
        if(os.path.exists(args[1])):
            midiChordAnalysis(args[1])
        else:
            print('ERROR : ファイルが存在しません。')
    else:
        print('ERROR : 引数がありません。')

  3. テスト用にmidiを作成(わかりやすくCメジャー)、読み込ませてみる。

>py .\midiChordAnalysis.py .\chord.midi
C-major triad

おお、見事Cメジャーと言い当てました。

そして俺にっこり

ここまでで作ったものをいい感じに結合する。

    private void AnalysisBtn_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        //MIDIファイルの作成
        if (!makeMidiFile(midiFile))
        {
            MessageBox.Show("MIDIファイルが出力できませんでした。");
            return;
        }

        string Result = String.Empty;

        try
        {
            var pythonResult = new Process
            {
                //pythonExe -> Python.exeのフルパス
                //pythonScript -> midiChordAnalysis.pyの相対パス
                //midiFile -> 作成したmidiファイルの相対パス
                StartInfo = new ProcessStartInfo()
                {
                    FileName = pythonExe,
                    UseShellExecute = false,
                    CreateNoWindow = false,
                    RedirectStandardOutput = true,
                    Arguments = pythonScript + " " + midiFile
                }
            };

            pythonResult.Start();
            StreamReader myStreamReader = pythonResult.StandardOutput;
            Result = myStreamReader.ReadLine();
            pythonResult.WaitForExit();
            pythonResult.Close();
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Result = null;
        }

        if (Result != null && !Result.Contains("Error"))
        {
            label2.Text = Result;
        }
        else
        {
            label2.Text = "解析できませんでした。";
            MessageBox.Show("コード解析ができませんでした。");
        }
    }

こんな感じにしてみました。

さて実行結果、試しにDメジャーを入力して解析ボタンを押すと…
Result.PNG

ちゃんと出ましたね！
なんか複雑なコードも入れてみましょう。

例えばギターの神様ことジミ・ヘンドリックスが多用したコードで知られる、
E7(#9) 通称 ジミヘンコードを入力してみます。
Result02.PNG

うーん、よくわからん。
music21というライブラリは音楽全般の解析用ライブラリみたいなので
ギターコードのように簡易な表記にはしてくれないようです…

結果

コード解析できたが解析結果が読み取れない

Python ScriptのExe化とかもやってみたいと思っていたが間に合わなかったので、
機会があったらまた同じようなことに挑戦してみたいと思います。

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