​免费编程软件「python+pycharm」
链接：https://pan.quark.cn/s/48a86be2fdc0

音乐与代码的碰撞能产生什么火花？当数学中的回文结构遇上MIDI音乐创作，我们可以用Python生成一首正着听反着听都相同的奇妙旋律。无需乐理基础，无需专业设备，只需30分钟，你就能完成人生第一首AI辅助创作的音乐作品。

一、回文音乐：代码与艺术的完美对称
1.1 什么是回文音乐？
回文音乐（Palindrome Music）指正序和倒序播放完全相同的音乐片段。就像"上海自来水来自海上"这句话，无论从左读还是从右读都完全一致。在音乐中，这种结构会创造出独特的听觉体验——前半段逐渐展开，后半段自然收束，形成完美的闭环。

历史上许多作曲家都尝试过这种形式：巴赫的《螃蟹卡农》可以上下颠倒演奏；韦伯恩的《钢琴变奏曲》第二乐章是严格的回文结构。现在，我们用Python就能轻松实现这种高级音乐技巧。

1.2 技术实现原理
实现回文音乐的关键在于：

音符序列对称：第1个音符对应最后1个，第2个对应倒数第2个，以此类推
节奏对称：前半段的节奏型在后半段反向重现
MIDI协议支持：用数字信号精确控制每个音符的音高、时值和力度
Python的mido库能完美处理MIDI协议，配合列表操作就能轻松构建回文结构。

二、环境准备：3分钟搭建创作工坊
2.1 安装必要库
打开终端执行以下命令：

pip install mido pretty_midi numpy

mido：处理MIDI消息的核心库
pretty_midi：简化MIDI文件读写
numpy：处理数值计算
2.2 验证安装
运行这段测试代码：

import mido
print(f"检测到MIDI端口：{mido.get_output_names()}")

如果看到类似['Microsoft GS Wavetable Synth']的输出，说明系统已准备好创作。

2.3 备用方案：虚拟MIDI设备
若没有物理MIDI输出设备，可安装虚拟MIDI端口：

Windows：安装 loopMIDI
Mac：使用内置的IAC Driver
Linux：安装snd-virmidi模块
三、第一步：生成基础旋律线
3.1 定义音符参数
用Python列表存储音符信息，每个元素是(音高, 时值, 力度)的元组：

C大调音阶（音高对应MIDI编号：60=中央C）

scale = [60, 62, 64, 65, 67, 69, 71, 72]

生成8个音符的简单旋律

base_melody = [
(scale[0], 480, 80), # 音符1：C4，四分音符，力度80
(scale[2], 240, 70), # 音符2：E4，八分音符，力度70
(scale[4], 240, 75), # 音符3：G4，八分音符，力度75
(scale[5], 480, 90), # 音符4：A4，四分音符，力度90
(scale[3], 240, 65), # 音符5：F4，八分音符，力度65
(scale[1], 240, 70), # 音符6：D4，八分音符，力度70
(scale[0], 960, 100) # 音符7：C4，全音符，力度100
]

3.2 创建回文结构
将基础旋律反转并调整力度：

def create_palindrome(melody):

# 反转音符序列（保留第一个音符作为中心点）
reversed_part = melody[-2::-1]  # 从倒数第二个开始反转

# 调整后半部分力度（可选：减弱处理）
palindrome = melody.copy()
for i, note in enumerate(reversed_part):
    new_note = (note[0], note[1], note[2] * 0.8)
    palindrome.append(new_note)

return palindrome

full_melody = create_palindrome(base_melody)

3.3 可视化验证
用matplotlib绘制音符分布：

import matplotlib.pyplot as plt

pitches = [note[0] for note in full_melody]
durations = [note[1]/100 for note in full_melody] # 转换为秒

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.stem(range(len(pitches)), pitches)
plt.title("Pitch Sequence")

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.bar(range(len(durations)), durations)
plt.title("Duration Sequence")
plt.show()

四、第二步：构建完整MIDI文件
4.1 创建MIDI轨道
使用pretty_midi构建完整结构：

import pretty_midi

def create_midi(melody, tempo=120, output_file="palindrome.mid"):

# 创建MIDI对象
pm = pretty_midi.PrettyMIDI(initial_tempo=tempo)

# 创建钢琴轨道
piano_program = pretty_midi.instrument_name_to_program('Acoustic Grand Piano')
piano = pretty_midi.Instrument(program=piano_program)

# 添加音符
current_time = 0
for pitch, duration, velocity in melody:
    # 将相对时值转换为绝对时间
    note_length = duration / 1000  # 转换为秒
    note = pretty_midi.Note(
        velocity=int(velocity),
        pitch=int(pitch),
        start=current_time,
        end=current_time + note_length
    )
    piano.notes.append(note)
    current_time += note_length

pm.instruments.append(piano)
pm.write(output_file)
print(f"MIDI文件已保存：{output_file}")

create_midi(full_melody)

4.2 添加和声层次
让音乐更丰富：

def add_harmony(melody, interval=3):
harmony = []
for pitch, duration, velocity in melody:

    # 在指定音程上添加和声音符
    harmony_pitch = pitch + interval
    harmony.append((harmony_pitch, duration, velocity * 0.7))
return harmony

harmony_track = add_harmony(full_melody)
create_midi(harmony_track, output_file="harmony.mid")

4.3 合并多轨道
创建包含主旋律和和声的完整MIDI：

def merge_tracks(*tracks):
pm = pretty_midi.PrettyMIDI(initial_tempo=120)

for i, track_data in enumerate(tracks):
    if i == 0:
        program = pretty_midi.instrument_name_to_program('Acoustic Grand Piano')
    else:
        program = pretty_midi.instrument_name_to_program('String Ensemble 1')

    instrument = pretty_midi.Instrument(program=program)
    current_time = 0

    for pitch, duration, velocity in track_data:
        note_length = duration / 1000
        note = pretty_midi.Note(
            velocity=int(velocity),
            pitch=int(pitch),
            start=current_time,
            end=current_time + note_length
        )
        instrument.notes.append(note)
        current_time += note_length

    pm.instruments.append(instrument)

return pm

full_composition = merge_tracks(full_melody, add_harmony(full_melody))
full_composition.write("complete_palindrome.mid")

五、第三步：进阶创作技巧
5.1 动态节奏变化
让回文结构更自然：

import random

def dynamic_palindrome(melody, rhythm_variation=0.2):
palindrome = melody.copy()
reversed_part = melody[-2::-1]

for i, note in enumerate(reversed_part):
    # 随机调整时值（±20%）
    original_duration = note[1]
    variation = original_duration * rhythm_variation * (random.random() * 2 - 1)
    new_duration = max(10, original_duration + variation)  # 最小时值10ms

    palindrome.append((
        note[0],
        new_duration,
        note[2] * (0.7 + random.random() * 0.3)  # 力度随机变化
    ))

return palindrome

dynamic_melody = dynamic_palindrome(base_melody, rhythm_variation=0.3)

5.2 多声部回文
创建四个声部的复杂结构：

def multi_voice_palindrome(base_melody, voices=4):
all_voices = [base_melody.copy()]

for _ in range(1, voices):
    # 每个声部音高偏移
    offset = random.randint(-5, 5)
    transposed = [(p + offset, d, v) for p, d, v in base_melody]
    all_voices.append(transposed)

# 为每个声部创建回文
full_composition = []
for voice in all_voices:
    palindrome = create_palindrome(voice)
    full_composition.extend(palindrome)

return full_composition

complex_piece = multi_voice_palindrome(base_melody, voices=3)

5.3 算法生成基础旋律
完全用代码创作旋律：

def generate_random_melody(length=8, key_scale=None):
if key_scale is None:
key_scale = [60, 62, 64, 65, 67, 69, 71] # C大调

melody = []
current_pitch = key_scale[0]

for _ in range(length):
    # 随机选择下一个音符（70%概率继续当前音阶方向）
    if len(melody) > 0 and random.random() < 0.7:
        last_pitch = melody[-1][0]
        diff = last_pitch - current_pitch
        current_pitch = last_pitch + (diff // abs(diff) if diff != 0 else 1)
        # 确保仍在音阶内
        if current_pitch not in key_scale:
            current_pitch = max(min(current_pitch, key_scale[-1]), key_scale[0])
    else:
        current_pitch = random.choice(key_scale)

    # 随机时值（四分音符为主）
    duration = random.choice([240, 240, 240, 480, 720])  # 偏重短音符
    velocity = random.randint(60, 100)

    melody.append((current_pitch, duration, velocity))

return melody

algo_melody = generate_random_melody(length=12)

六、作品展示与优化
6.1 播放MIDI文件
使用mido播放创作成果：

def play_midi(file_path):
with open(file_path, 'rb') as f:
mid = mido.MidiFile(f)

port = mido.open_output()
for msg in mid.play():
    port.send(msg)

play_midi("complete_palindrome.mid")

6.2 转换为音频
推荐使用FluidSynth将MIDI转为WAV：

安装FluidSynth

sudo apt install fluidsynth # Linux
brew install fluidsynth # Mac

转换命令

fluidsynth -i soundfont.sf2 complete_palindrome.mid -F output.wav -r 44100

6.3 常见问题解决
Q1：生成的MIDI文件无法播放？
A：检查是否安装了MIDI合成器。Windows用户可安装 CoolSoft VirtualMIDISynth，Mac用户使用内置的DLS Music Device。

Q2：如何调整音乐速度？
A：修改PrettyMIDI的initial_tempo参数（默认120BPM），数值越大速度越快。

Q3：想用真实乐器音色？
A：下载高质量音源如​​​​​​​ SFZ格式的免费音源，或使用商业音源如EastWest Quantum Leap。

七、创作灵感扩展
7.1 数学之美
回文结构本质是数学对称，尝试：

斐波那契数列生成节奏型
分形算法创建自相似结构
黄金分割比例安排乐句长度
7.2 跨学科融合
结合其他艺术形式：

用诗歌生成回文歌词
根据建筑结构创作对应音乐
用股票走势数据生成旋律
7.3 交互式创作
开发Web应用让用户实时生成回文音乐：

from flask import Flask, send_file
import io

app = Flask(name)

@app.route('/create')
def create_music():

# 这里调用之前的创作函数
melody = generate_random_melody()
full = create_palindrome(melody)
pm = pretty_midi.PrettyMIDI(initial_tempo=100)
# ...构建MIDI对象...

buffer = io.BytesIO()
pm.write_to_fp(buffer)
buffer.seek(0)

return send_file(buffer, mimetype='audio/midi', as_attachment=True, download_name='dynamic_palindrome.mid')

if name == 'main':
app.run(debug=True)

结语
从基础回文结构到复杂多声部创作，我们用Python解锁了音乐算法的新可能。这种创作方式不是要取代人类作曲家，而是提供新的灵感来源——就像照相机没有取代绘画，反而拓展了艺术表达的边界。现在打开你的IDE，让代码奏响数字时代的回文交响乐吧！

​