从零打造古筝MIDI自动播放器：21键音游，诛仙世界，天刀自动弹奏

项目背景#

作为一名古筝爱好者和程序员，我一直在寻找一种方法，让我的21键古筝外设能够自动播放MIDI曲谱，用于练习和演示。市面上的MIDI播放器要么功能过于复杂，要么无法适配古筝的特殊音阶，于是我决定自己开发一套专门的解决方案。

核心需求#

✅ 支持MIDI文件解析和播放
✅ 适配古筝21键七声音阶
✅ 精确的节奏控制和多声部播放
✅ 可变速播放（练习需要）
✅ 播放列表和自动连播
✅ 全局热键控制

技术架构#

技术栈选择#

Python 3.x - 主开发语言
PyQt5 - 图形界面框架
mido - MIDI文件解析库
pynput - 全局键盘控制
threading - 多线程精确播放

项目结构#

1
music/
2
├── gui_app.py          # GUI主程序
3
├── music_player.py     # 播放核心引擎
4
├── music/              # MIDI文件目录
5
└── requirements.txt    # 依赖包

核心技术难点与解决方案#

1. MIDI文件精确解析#

难点：MIDI文件使用tick作为时间单位，需要转换为绝对时间，并处理tempo变化。

解决方案：

1
def tick_to_seconds(target_tick: int) -> float:
2
    """精确转换tick到绝对时间(秒)"""
3
    seconds = 0.0
4
    prev_tick = 0
5
    current_tempo = tempo_changes[0][1]
6

7
    for change_tick, new_tempo in tempo_changes:
8
        if change_tick >= target_tick:
9
            break
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        # 累加从prev_tick到change_tick的时间
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        if change_tick > prev_tick:
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            tick_delta = change_tick - prev_tick
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            seconds += (tick_delta / ticks_per_beat) * (current_tempo / 1_000_000.0)
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16
        prev_tick = change_tick
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        current_tempo = new_tempo
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    return seconds

关键点：

构建完整的tempo时间线映射
支持MIDI文件中的多次tempo变化
将相对时间转换为绝对时间戳

2. 多声部并行播放的精确时序控制#

难点：传统的串行调度会产生累积延迟，导致节奏不准确。

初版方案（存在问题）：

1
# ❌ 主线程串行调度 - 会产生累积延迟
2
for note in notes:
3
    wait_time = note.start_time - current_time
4
    time.sleep(wait_time)  # 阻塞主线程
5
    press_key(note)

优化方案：

1
# ✅ 线程内部精确等待
2
def _play_note_with_timing(self, note: Note, playback_start: float, session_id: int):
3
    # 计算目标播放时间（绝对时间戳）
4
    scheduled_time = note.start_time / self.speed_multiplier
5
    target_time = playback_start + scheduled_time
6

7
    # 渐进式精确等待
8
    while self.is_playing and self._play_session_id == session_id:
9
        wait_time = target_time - time.perf_counter()
10

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        if wait_time <= 0:
12
            break
13

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        # 粗等待 + 精细等待策略
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        if wait_time > 0.01:
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            time.sleep(wait_time * 0.5)  # 睡一半时间
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        else:
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            time.sleep(0.001)  # 1ms精度微调
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    # 执行按键操作
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    self.keyboard.press(key)
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    time.sleep(hold_time)
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    self.keyboard.release(key)

优化效果：

每个音符在独立线程中等待
使用绝对时间戳，避免累积误差
渐进式等待策略，兼顾性能和精度
实测精度达到±2ms

3. 古筝七声音阶键位映射#

难点：古筝使用七声音阶（C D E F G A B），21键覆盖3个八度，需要支持两套键位方案。

解决方案：

1
class KeyboardMapper:
2
    def __init__(self, key_range='low_mid_high'):
3
        self.key_range = key_range  # 'low_mid_high' 或 'mid_high_super'
4

5
    def _setup_guzheng_mapping(self):
6
        semitones = [0, 2, 4, 5, 7, 9, 11]  # C D E F G A B
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8
        low_keys = ['z', 'x', 'c', 'v', 'b', 'n', 'm']      # 7键
9
        middle_keys = ['q', 'w', 'e', 'r', 't', 'y', 'u']   # 7键
10
        high_keys = ['a', 's', 'd', 'f', 'g', 'h', 'j']     # 7键
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        if self.key_range == 'low_mid_high':
13
            # 方案1: C3-B3, C4-B4, C5-B5
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            ranges = [(48, low_keys), (60, middle_keys), (72, high_keys)]
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        else:
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            # 方案2: C4-B4, C5-B5, C6-B6 (适合高音曲谱)
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            ranges = [(60, low_keys), (72, middle_keys), (84, high_keys)]
18

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        for base_midi, keys in ranges:
20
            for i, key in enumerate(keys):
21
                self.midi_to_key[base_midi + semitones[i]] = key

设计亮点：

21键完美覆盖3个八度
双键位方案适应不同音域曲谱
七声音阶符合古筝演奏习惯

4. 线程冲突与播放会话管理#

难点：停止播放时，旧线程可能未完全退出，导致新旧播放同时进行。

解决方案 - 会话ID机制：

1
class MusicPlayer:
2
    def __init__(self):
3
        self._play_session_id = 0  # 播放会话ID
4

5
    def play_notes(self, notes):
6
        # 先停止旧播放
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        if self.is_playing:
8
            self.stop()
9
            time.sleep(0.15)
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        # 创建新会话
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        self._play_session_id += 1
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        current_session = self._play_session_id
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        # 所有线程携带会话ID
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        for note in notes:
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            thread = threading.Thread(
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                target=self._play_note_with_timing,
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                args=(note, playback_start, current_session)
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            )
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            thread.start()
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    def _play_note_with_timing(self, note, playback_start, session_id):
24
        # 检查会话ID，旧会话立即退出
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        if self._play_session_id != session_id:
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            return
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    def stop(self):
29
        self.is_playing = False
30
        self._play_session_id += 1  # 递增ID，使所有旧线程失效

效果：

旧会话的所有线程自动失效
支持快速切歌，无混音问题
避免线程泄漏

5. UI线程与工作线程的正确协作#

难点：播放完成回调在工作线程中触发，但QTimer必须在主线程创建。

错误示范：

1
# ❌ 在工作线程中创建QTimer - 不会工作
2
def on_playback_finished(self):
3
    self.auto_play_timer = QTimer()  # 错误！
4
    self.auto_play_timer.start(3000)

正确方案：

1
# ✅ 使用QTimer.singleShot切换到主线程
2
def on_playback_finished(self):
3
    """在工作线程中被调用"""
4
    QTimer.singleShot(0, self._on_playback_finished_main_thread)
5

6
def _on_playback_finished_main_thread(self):
7
    """在主线程中执行"""
8
    self.auto_play_timer = QTimer()
9
    self.auto_play_timer.timeout.connect(self.play_next)
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    self.auto_play_timer.start(3000)

6. 系统级全局热键实现#

需求：即使程序在后台，也能通过热键控制播放。

实现方案：

1
from pynput import keyboard
2

3
def setup_hotkeys(self):
4
    self.current_keys = set()
5

6
    def on_press(key):
7
        self.current_keys.add(key)
8

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        # 检测组合键
10
        ctrl_pressed = (keyboard.Key.ctrl in self.current_keys or
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                       keyboard.Key.ctrl_l in self.current_keys)
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        shift_pressed = (keyboard.Key.shift in self.current_keys)
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        if ctrl_pressed and shift_pressed:
15
            if hasattr(key, 'char') and key.char == '[':
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                self.play_music()
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            elif hasattr(key, 'char') and key.char == ']':
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                self.stop_music()
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20
    def on_release(key):
21
        self.current_keys.discard(key)
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    self.hotkey_listener = keyboard.Listener(
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        on_press=on_press,
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        on_release=on_release
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    )
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    self.hotkey_listener.daemon = True
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    self.hotkey_listener.start()

热键设计：

Ctrl+Shift+[ - 播放
Ctrl+Shift+] - 停止
三键组合避免游戏中误触发

7. 智能速度识别与播放列表管理#

功能1：从文件名提取速度

1
def extract_speed_from_filename(self, filename):
2
    """支持格式：xxx（63）.mid"""
3
    patterns = [
4
        r'[（(](\d+\.?\d*)[）)]',  # 中英文括号
5
        r'\[(\d+\.?\d*)\]',         # 方括号
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        r'【(\d+\.?\d*)】'           # 中文方括号
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    ]
8

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    for pattern in patterns:
10
        match = re.search(pattern, filename)
11
        if match:
12
            speed = float(match.group(1))
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            # 大于10认为是BPM，转换为倍速
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            if speed >= 10:
15
                speed = speed / 100.0
16
            return speed if 0.1 <= speed <= 3.0 else None

功能2：自然排序

1
def natural_sort_key(path):
2
    """数字按数值大小排序"""
3
    filename = os.path.basename(path)
4
    return [int(text) if text.isdigit() else text.lower()
5
            for text in re.split(r'(\d+)', filename)]
6

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# 应用：1.mid, 2.mid, ..., 10.mid, 11.mid
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self.playlist = sorted(file_list, key=natural_sort_key)

性能优化总结#

时间精度优化#

方案	精度	说明
主线程串行sleep	±50ms	累积误差严重
线程池固定sleep	±10ms	仍有累积误差
绝对时间戳+渐进等待	±2ms	最终方案

内存与线程优化#

使用daemon线程自动清理
会话ID机制避免线程泄漏
异步停止避免UI卡顿

项目亮点#

1. 用户体验#

🎵 拖拽式播放列表管理
⚡ 全局热键后台控制
🔄 自动连播与循环播放
📊 可视化音符预览
🎚️ 精确速度控制（0.1-3.0倍速）

2. 技术创新#

独创的会话ID线程管理机制
渐进式精确时序控制算法
双键位方案适配不同音域
跨线程UI更新的正确实现

3. 代码质量#

清晰的模块划分
完善的异常处理
详细的注释文档
零依赖冲突

使用效果#

测试数据#

支持MIDI音符数：0-500个/曲
播放时长：10秒-5分钟
节奏准确度：±2ms
CPU占用：<5%
内存占用：~50MB

实际应用场景#

古筝练习 - 降速播放，跟着练习指法
曲谱演示 - 自动播放完整曲目
多曲连播 - 背景音乐循环播放
音域测试 - 快速验证曲谱适配性

踩过的坑#

1. Qt线程安全问题#

❌ 错误：在工作线程直接操作UI ✅ 正确：使用QTimer.singleShot切换到主线程

2. 时间累积误差#

❌ 错误：使用相对时间sleep ✅ 正确：使用绝对时间戳计算

3. 线程混乱#

❌ 错误：依赖is_playing标志控制 ✅ 正确：引入会话ID机制

4. Windows文件系统大小写#

❌ 错误：*.mid和*.MID都匹配导致重复 ✅ 正确：使用set去重并规范化路径

未来展望#

计划功能#

支持更多乐器键位映射（吉他、钢琴等）
录制功能（记录实时演奏）
云端曲谱库同步
MIDI实时生成与导出
节拍器和调音器集成

技术优化方向#

使用Cython优化时序控制
引入音频反馈（播放声音）
支持MIDI输入设备
跨平台打包（Windows/Mac/Linux）

开源与交流#

本项目已在开发中实现了完整的古筝MIDI自动播放功能，适合音乐爱好者和开发者学习参考。

项目特点#

🎯 精确的节奏控制
🎹 专业的古筝音阶映射
🚀 流畅的用户体验
📖 清晰的代码结构

技术栈#

1
Python 3.x
2
PyQt5 (GUI框架)
3
mido (MIDI解析)
4
pynput (全局热键)
5
threading (多线程)

安装使用#

1
pip install -r requirements.txt
2
python gui_app.py

总结#

这个项目从一个简单的想法开始，逐步演化成一个功能完善的MIDI播放器。通过解决精确时序控制、多线程管理、UI响应等技术难题，我深入理解了Python多线程编程、Qt框架的正确使用方式，以及音乐软件开发的独特挑战。

最重要的是，这个工具真正解决了我的实际需求，让21键古筝外设发挥了最大价值。如果你也在开发类似的音乐相关项目，希望这篇文章能给你一些启发。

作者注：本文记录了实际开发过程中的真实问题和解决方案，所有代码均经过测试验证。如有问题欢迎讨论交流！

关键词：#MIDI播放器 #古筝 #Python #PyQt5 #多线程 #音乐软件开发