Fluid Ardule에 드럼 패턴 재생 기능을 넣다

Fluid Ardule은 '전원을 넣고 키보드를 연결하면 즉시 연주 가능'한 MIDI 사운드 모듈을 지향한다. 인터넷 라디오, 각종 오디오 음원 파일 재생, 블루투스 오디오 재생 기능은 재미와 활용성을 높이기 위하여 추가한 것이다. 라즈베리파이 3B라는 제한된 하드웨어를 바탕으로 하기 때문에 샘플러라든가 작은 DAW와 같은 기능을 넣으려는 욕심을 철저히 차단하고 있다. 그래서 JACK이나 PortAudio 등을 절대 쓰지 않으며, 오로지 ALSA만을 이용한 단순하고 빠른 처리를 목표로 하였다.

하지만 드럼 재생 기능만큼은 넣어 보고 싶었다. Nano Ardule을 개발하면서 값진 자산으로 남은 드럼 패턴 라이브러리를 이용하면 어렵지 않게 Fluid Ardule의 운영 스크립트에서 드럼 패턴을 반복 재생하고, 연결된 키보드를 이용하여 드럼과 동시 연주도 가능할 것 같았다.

Nano Ardule 개발 당시 공개된 드럼 MID 파일을 분석하여 2-bar 단위의 패턴을 장르별로 정리해 둔 일이 있다. 이를 위한 두 가지의 전용 파일 포맷도 개발해 두었다. ADT는 사람이 읽고 편집할 수 있는 파일이고, 이를 검증하여 작은 바이너리 캐시로 만든 것은 ADP이다. ADP는 아두이노 나노(에브리)의 작은 메모리에도 비상용으로 수십개 정도는 넣을 수 있다.

사실 아두이노 나노보다 성능이 훨씬 좋은 라즈베리 파이에서는 ADT를 그대로 재생할 수 있다. 하지만 이를 위해서는 운영 스크립트 안에 텍스트 파서가 들어가야 하고, 잘못 작성된 패턴을 검사하는 코드도 필요하다. 예외 처리도 늘어났을 것이고, 앞으로 ADT 문법이 바뀔 때마다 Fluid Ardule도 함께 수정해야 했을지 모른다. 

하지만 ADP는 대단히 단순하다. 이미 검증이 다 끝난 상태이기 때문이다. 텍스트 파일을 다룰 때 필요한 파서 같은 것을 요구하지 않는다.

• ADP 파일을 연다.
• 헤더를 확인한다.
• 스텝 데이터를 읽는다.
• 해당 스텝의 드럼 음을 출력한다.

이것으로 끝이다. "Play with Drums"라는 메뉴를 넣을 위치를 결정하고, 대략의 화면을 구상한 뒤 지시문을 만들어서 ChatGPT에 ADP 파일 사양 문서와 함께 밀어 넣었다. 그것으로 끝. 인코더를 돌려서 BPM을 조절하고, 키보드 입력 신호를 동시에 연주하는 기능도 순식간에 구현하였다. 오히려 화면 안에서 텍스트 배치를 보기 좋게 조절하는 것에 가장 많은 시간을 쏟았다.

Nano Ardule 개발 당시 꽤 신경을 써서 만든 '드럼 패턴 데이터 표준안'이 결국 미래의 나를 위한 좋은 선물이었던 것이다. 물론 앞으로도 ADT는 필요하다. 사람이 읽고 수정할 수 있는 원본이 있어야 하기 때문이다. 그러나 실제 연주를 담당하는 프로그램에게는 검증이 끝난 ADP가 더 적합하다. 만약 2-bar MIDI drum pattern을 재생 대상으로 삼았더라면 타이밍 계산과 MIDI 이벤트 해석, 스케줄링을 처리하느라 개발 과정은 그야말로 재앙이 되었을 것이다. MIDI drum pattern은 악기 사용 빈도를 계산하고 ADT → ADP를 만드는 과정에서 매우 유용한 raw data 역할을 한 것은 솔직하게 시인한다.

내가 만든 체계에서는 드럼킷을 구성하는 악기(slot)를 12개로 제한한다. 실용적으로는 큰 문제가 없다. ADP에서는 슬롯 번호마다 다음과 같이 정해진 악기가 할당된다. 반면 ADT는 12개 슬롯이라는 원칙을 지키기만 한다면 다른 악기를 넣을 수 있다. 예를 들어 카우벨이나 탬버린 같은 것. 따라서 새로운 패턴을 만들 때에는 ADT가 필요하다.

노트 넘버 37번은 rim shot이 아니라 side stick이 맞을 것이다.

이러한 타악기 배치는 임의로 정한 것이 아니다. 인터넷에 공개된 다수의 드럼 패턴 파일(.MID)을 분석한 결과물이므로 일종의 (빅)데이터 분석을 통하여 얻은 결론이다. 이를 컴퓨터 키보드(16키) 또는 AKAI MPK MINI의 패드(8키 x 2뱅크)에 할당하여 입력하기 위해 나름대로 머리를 싸매서 고민을 한 결과가 바로 다음의 스펙 문서이다. 

APS Drum Instrument Sets & Pad Mapping - Reference Specification

실은 요즘 며칠 작업을 하면서 이 문서가 조금 잘못된 것을 깨달았고, 조금씩 수정을 가하고 있다. 결론적으로는 Legacy UI 12 Set를 실질적인 표준으로 삼는 것이 더욱 바람직하다. 내가 만들어 놓은 450개 가까운 ADT/ADP는 실제로 Legacy UI 12 Set를 따르고 있었다. 처음부터 목표를 세워서 이를 구현하기 위해 표준을 설계한 것이 아니라, 공개된 데이터를 분석하고 실제로 사용 가능한 형태로 다듬는 과정에서 자연스럽게 하나의 표준이 만들어졌던 것이다. 어쩌면 내가 숱하게 남긴 기록에도 불구하고 개발 과정을 정확하게 기억하지 못했을 수도 있지만.

결국 좋은 데이터 포맷이란 단순히 파일 크기가 작거나 처리 속도가 빠른 것이 아니다. 사람이 이해하고 수정할 수 있는 원본과, 기계가 빠르고 안정적으로 처리할 수 있는 표현을 적절히 분리하는 것이다. ADT와 ADP는 바로 그런 역할 분담을 목표로 만들어졌다. 몇 달이 지난 지금도 거의 수정 없이 새로운 프로젝트에서 다시 활용할 수 있었다는 사실이, 당시의 설계가 나쁘지 않았음을 증명해 주는 것 같다. 미래의 나는, 과거의 내가 남겨 둔 작은 선물을 기분 좋게 다시 꺼내 쓸 수 있었다.

[Nano Ardule] MIDI 파일 재생기를 만들기가 이렇게 어렵다니...

그림 자료를 곁들여 꽤 긴 글을 쓰고 있었는데 순식간에 날아가 버렸다. 키보드를 잘못 건드린 것도 없는데 도대체 무슨 일이 벌어진 것일까? 시스템 또는 서비스의 일시적인 문제라고 믿기로 했다. 지금까지 이런 일은 없었기 때문이다.

Nano Adrule MIDI controller는 키보드 컨트롤러와 사운드 모듈 사이에 위치하여 음색을 바꾸거나 레이어 또는 스플릿을 하기 위한 목적으로 만든 것이다. 여기서 말하는 사운드 모듈은 디스플레이나 조절 기능이 없이 아주 단순한 구조로 된 것을 뜻한다. 즉, 노래방 반주기에서 적출한 도터보드 형태의 것을 포함한다.

내놓기 민망한 수준으로 회로를 꾸미고 아두이노를 제어하기 위한 스케치(.ino) 파일을 만들어 소기의 목적을 달성하는 데에는 성공하였다. 이 과정에서 챗GPT가 큰 기여를 하였다. 처음에는 마이크로SD카드에 저장한 type 0 MIDI 파일을 재생하는 기능까지 넣으려고 했으나 아두이노 나노라는 제한된 '두뇌'에 펌웨어를 다 밀어넣기가 곤란하여 일단 기능을 분리하게 되었다. 아두이노 나노 호환보드와 아두이노 나노 에브리를 하나씩 갖고 있으니 각각에 대해여 서로 다른 기능의 펌웨어를 업로드해 놓은 뒤 필요에 따라 소켓에 바꿔 끼워 가면서 쓸 수도 있을 것이다.

그러나 안정적인 MIDI 파일 재생 기능을 구현하는 것이 키보드 컨트롤러의 보조 역할을 하는 것보다 훨씬 어렵다는 것을 알게 되었다. 마이크로SD카드에서 파일 목록을 얻는 것부터 쉽지 않았다. 실패를 반복하면서 거의 포기 상태로 한동안 손을 놓고 있다가 또다시 열정을 갖고 파고들기 시작하였다. 수없는 시행착오를 거쳐서 SD카드 접근용 라이브러리 SDFat를 선택하고, MIDI 파일명을 기록한 인덱스 파일(INDEX.TXT)을 통해서 개별 파일을 접근하는 등 최적화를 위해 할 일이 너무나 많았다. 단계별로 적용하여 재생 안정화에 기여한 대책을 정리해 보면 다음과 같다.

MIDI 파싱/타이밍(논리) 안정화

• 러닝 스테이터스 규칙 고정: runningStatus는 오직 채널 보이스(0x80–0xEF)에서만 갱신.
• 메타(0xFF)/SysEx(0xF0/0xF7) 이후에는 runningStatus를 건드리지 않음.
• 프리롤 정합성: Δ=0 구간에서 메타·SysEx는 소비하되, 첫 채널 상태를 만나면 firstStatusPending = true, runningStatus = 해당 상태로 초기화 후 메인루프에 인계.
• 데이터바이트 보호: runningStatus 없이 데이터바이트(<0x80) 등장 시 다음 상태바이트(≥0x80)까지 스캔하여 동기화(트랙 경계 내에서만).
• 트랙 경계 가드: trackEndPos를 프리롤/메인루프/메타파서 전 구간에 적용하여 조기 EOT/읽기 초과 방지.
• 절대시간 스케줄러: songStartMicros + tick*micro_per_tick 방식으로 이벤트 스케줄, Δ=0 클러스터도 순차 처리.

“버스트(폭주)” 완화/전송 안정화

• 스타트 가드: 재생 시작 시 2비트(count-in) 지연 + 15ms 프리롤로 초기 버스트 완화.
• TX 페이싱(옵션): parseMidiEvent() 끝에 delayMicroseconds(200~350) 삽입해 UART 과부하 예방.(권장값: 250µs. 문제 파일에서만 필요하면 컴파일 타임 옵션으로 관리)
• 하드웨어 버퍼 대기(대안): 필요 시 Serial.write() 전에 UDRE 체크로 송신 버퍼 여유 확인.

SD 파일 접근 안정화

• SPI 속도 보수화: SD.begin(CS, SD_SCK_MHZ(1)) 로 1 MHz로 시작(호환성↑).
• 오픈 재시도 래퍼: sdSafeOpen()으로 최대 3회 재시도 후 실패 판정.
• 고정 버퍼 라인리더: String 대신 char[] 버퍼 기반 readNextLine()로 CR/LF/CRLF, BOM(UTF-8) 처리.→ countIndexLines(), loadIndexPage() 모두 이 라인리더 사용.
• INDEX 포맷 규칙: 8.3 파일명, 빈 줄/주석(#) 무시, 마지막 줄 개행 보장. 필요 시 PC에서 파이썬 스크립트로 BOM 제거 + 줄바꿈 통일.

UI/입력 안정화

• 버튼 디바운스: 모든 버튼에 소프트 디바운스(약 18ms + 릴리즈 대기).
• 인코더 스텝 고정: detent=2 기준(두 클릭=1스텝)으로 과다 이동 억제.
• 방향 반전은 #define ENC_DIR_INVERT 한 줄로 토글.
• 표시 정렬: Vol/BPM/Reb/Kit 숫자 3자리 고정(오른쪽 정렬)로 상태 확인 용이.

모듈/보드 특성 대응

• /SONGS vs /DRUMS 분리: 
• /SONGS: 원본 그대로 재생(초기 CC/PC 미전송) → 불필요한 설정 충돌 차단
• /DRUMS: 시작 시 CH10에만 Volume/Reverb/DrumKit(PC) 전송(SAM9703는 PC만으로 킷 변경)
• All Notes Off: 인코더 버튼 롱프레스로 긴급 음 끊김 방지.

나노 아두이노 설계를 시작할 때만 하더라도 이렇게 복잡하고 까다로운 난관을 타개해 나가야 할 것이라고는 전혀 생각하지 못하였다. PC에서 .mid 파일을 만나면 단순히 더블클릭만 해서 어쨌든 소리를 들을 수 있다. 하지만 아두이노는 그렇지 못하다. 예를 들어 C:\Windows\Media 폴더에 전통적으로 존재해 오던 ONESTOP.MID라는 약 4분 분량의 MIDI 파일을 보자. html-midi-player("Play and display MIDI files on the web")에 업로드하면 노트 정보의 시각화는 물론 재생까지 이루어진다. 이 는 다양한 악기가 여러 장르를 거쳐 연주되는 매우 수준 높은 MIDI 파일이다.

html-midi-player("Play and display MIDI files on the web")에 로드한 ONESTOP.MID 파일.

Nano Ardule은 이 파일을 재생하다가 1분이 되기 전에 타악기 소리를 와르르 쏟아내고는 멈춘다. 그 이유를 알기 위해서 문제가 일어난 구간의 MIDI 파일의 이벤트를 텍스트 형태로 출력한 뒤(챗GPT를 이용하여 이러한 용도의 파이썬 스크립트를 만들었음) 분석을 해 보았다. 이외에도 부수적으로 만든 파이썬 스크립트가 여럿 있다.

00:35:000 ~ 00:45:500 
Time(mm:ss:ms) | AbsTick | Δ? | Kind | Detail 
----------------+---------+----+--------+-------------------------------------- 
00:35:051 | 9125 | 0 | CHAN | NOTE_ON ch= 1 note= 72 vel= 0 
00:35:067 | 9129 | 4 | CHAN | NOTE_ON ch= 1 note= 74 vel= 64 
00:35:082 | 9133 | 4 | CHAN | NOTE_ON ch= 8 note= 72 vel= 0 
00:35:121 | 9143 | 10 | CHAN | NOTE_ON ch=12 note= 38 vel=115
...

분석 결론은 다음과 같았다. 핵심은 노트보다 컨트롤 메시지(특히 Pitch Bend, CC, Bank/PC)가 폭주하는 구간이 있다는 점이다.

• Pitch Bend 홍수
• Bank Select + Program Change의 동시 발생
• Mode Wheel(CC#1), Volume(CC#7) 연속 변화
• Δ=0/2/4 정도의 촘촘한 이벤트 다발

PC에서는 내부 버퍼·타임스탬프 큐·멀티스레드로 완충되지만, 아두이노는 UART 대역폭과 싱글 루프 때문에 그대로 내보내면 밀립니다.

오늘의 목표는 ONESTOP.MID 파일을 제대로 재생하게 만드는 것이다. 그 다음으로는 드럼 연주 데이터만 들어있는 MIDI 파일을 2-마디 패턴으로 분해한 뒤 반복 재생하거나. 또는 '패턴 체인' 형태를 만들어서 곡 전체에 해당하는 드럼 연주를 제공하는 것.

아두이노를 이용한 드럼 패턴 플레이어를 만들기 위해 많은 아이디어가 스쳐 지나갔다. 실은 구글에서 online drum machine이라고만 입력하여 검색을 해도 꽤 좋은 서비스가 많다. 하지만 나는 인터넷에 연결되지 않은 상태에서도 이동하면서 사용 가능한 드럼 패턴 플레이어를 원한다. 

2마디 단위의 드럼 패턴을 그리드 형태로 양자화한 파일(Ardule Drum Pattern System; 바이너리 파일은 .ADP, 사람이 이해하기 쉬운 텍스트 버전은 .APT)을 마이크로SD카드에 저장해 놓은 뒤 원하는 것을 골라서 반복 재생하는 방식을 비롯하여 MIDI 파일을 2마디 단위로 직접 쪼개서 별도의 파일로 저장한 다음 활용하는 것에 이르기까지 여러 방법의 가능성을 따져 보았다. ADP 체계는 마이크로SD카드 의 MIDI 파일 접근이 쉽지 않아 애를 먹던 시절, 아예 메모리에 저용량의 패턴 데이터를 담아 보려고 생각한 것이다. 코드에 넣어 두었다면 Flash(PROGMEM)을, SD에서 불러온 패턴이라면 SRAM(겨우 2KB!)를, 그리고 사용자 커스텀 패턴이라면 EEPROM(이건 겨우 1kb에 불과함)를 쓰려고 했었다.

텍스트 형태인 APT(Ardule Pattern Text)의 사례. 이는 설계 및 편집을 위한 저장용 포맷이고, 실제로 프로그램 내부에서는 바이너리 형태(ADP)로 저장하려고 계획하였다. 드럼 전용이라면 ADT라고 쓰는 것이 옳다.

챗GPT의 해결책에는 이해하기 어려운 전문적인 내용도 많다. 계속되는 질문과 대답 속에서 다음과 같은 방법으로 거의 구체화가 되어가고 있다.

1. (PC) 드럼 연주 정보가 담긴 type 0 MIDI 파일을 2마디 단위의 패턴으로 나눈 뒤, 출현빈도 역순으로 정리한다. 하나의 MIDI 파일에서 유래한 각 패턴은 위치 정보와 MIDI 이벤트 형태로 묶어서 하나의 파일에 정리한다. 이를 self-contained multi-ADT(.MAD)라고 부르기로 한다.
2. MAD 파일의 뒷부분에는 완성된 곡 형태의 ARR 데이터를 담을 수 있다.
3. (Nano Ardule) .MAD 파일을 읽어서 지정한 패턴의 반복 연주, 또는 ARR 데이터 연주를 실시한다.

초창기에는 ADP system을 고려하다가 표현력에 제한이 있으리라는 것을 이내 알게 되었다. 따라서 온전한 형태의 드럼 MIDI 파일을 아두이노에서 로드한 뒤 스캔하여 패턴 위치 및 빈도 정보를 추출한 뒤 이를 반복 재생하는 방법을 생각했었다. 그러나 서로 떨어진 위치의 패턴을 조합하여 체인을 만들기에는 아두이노에게 부담이 된다. 그래서 이러한 방식까지 진화하였다. .MAD의 개념 도입 초기에는 원본 MIDI 파일을 참조하는 방식을 생각했다가 생각을 바꾸었다. 하지만 ADP는 데모용 기본 리듬 등으로 활용할 가치가 있으니 아직 내다 버리지는 말도록 하자.

제안: multi-ADT 포맷 (권장 확장자: .MAD)

• 파일명: FOO.MAD (8.3 호환)

• 목적: 여러 2-bar 패턴 + 어레인지(패턴 번호/반복수) + 메타(템포, 드럼킷, 카운트-인) 모두 한 파일에.

• 재생: 아두이노는 헤더의 오프셋 테이블을 읽어 패턴 위치로 즉시 seek → 끊김 없이 루프/점프.

바이너리 구조(간결 사양)

Offset  Size  Field
0x00    4     Magic = "MADT"
0x04    1     Version = 1
0x05    1     Flags (bit0=RAW-tick, bit1=GRID, bit2=HasTempoMap ...)
0x06    2     PPQN (e.g., 480)
0x08    2     Default BPM (for count-in; 곡 중 템포맵은 패턴 내 이벤트에 포함 가능)
0x0A    1     DrumKit PC (채널10 전제; 0=무시)
0x0B    1     CountIn Beats (2 or 4)
0x0C    2     PatternCount (N)
0x0E    2     ArrangeCount (M)  // (패턴번호, 반복수) 개수
0x10    4*N   PatternOffset[i]  // 각 패턴 레코드의 파일 오프셋
...     4*M   ArrangePairs[j]   // packed: (hi16=patternIndex, lo16=repeats)
--- 각 패턴 레코드 ---
PattHdr:
  +0   4   length_ticks (대개 2bar = 8*PPQN)
  +4   4   event_bytes  (아래 이벤트 스트림 길이)
  +8   ?   이벤트 스트림 (델타-타임 + 미디메시지)
Event Stream 인코딩(가볍고 빠르게):
  [VLQ delta] [Status or 0x00=running] [data1] [data2?]
  - 메타/시스엑스는 필요 시 스킵 가능 옵션(Flags)
  - 드럼 전용이면 CH10 메시지 위주로 간소화 가능

포인트: tick→byte 인덱스가 이미 파일 안에 내장되어 있어 패턴 시작 시 즉시 seek만 하면 됩니다.
템포가 바뀌는 패턴은 패턴 이벤트 안에 FF 51 03 메타를 넣어도 되고(Flags로 RAW모드), 대부분의 드럼 패턴은 고정 템포로 충분합니다.

텍스트 디버그 버전(선택): .MADT (사람 읽기용)

MADT, v=1, ppqn=480, bpm=120, kit=26, countin=2
PATTERN 1, len_ticks=3840
  dt=0,  90 24 64
  dt=120,90 2A 64
  ...
PATTERN 2, len_ticks=3840
  ...
ARR:
  1x4,2x2,3x4,2x2,1x8

개발 단계에서 가독성↑ / 최종 배포는 .MAD 사용.

---

장점 요약

• 무지연 점프/루프: 패턴 오프셋으로 즉시 seek → 카운트-인 동안 준비 끝.

• 사이드카 정리: .MID + .PAT + .ARR가 한 파일로 통합.

• 버스트 감소: 시작·전환부에 필요한 CC/PC/템포 이벤트를 패턴 전에 삽입해 둠.

• 8.3 안전: FOO.MAD 하나로 끝.

설계를 구체화하기 위해 너무나 많은 문제와 해결책, 그리고 잘 모르던 개념 사이를 방황하고 다녔더니 이렇게라도 문서로 정리하지 않으면 다 잊어버릴 것만 같다.

MIDI와 오픈 사이언스를 연결할 수 있을까? 자동 생성으로 쓴 간단한 글 한편을 소개한다.

MIDI, 오픈 사이언스가 배워야 할 표준의 철학 

2025년 11월 17일 업데이트

ONESTOP.MID가 재생 중 멈춘 것은 이벤트가 많아서 그런 것이 아니었다. 파일 중간에 삽입된 end of track 메시지를 재생기가 너무 민감하게 받아들인 것이다. Type 0 MIDI 파일이므로 이론적으로 track은 하나여야 하고, 파일 맨 끝에 단 하나의 end of track이 있어야 하나 세상에 존재하는 MIDI 파일이 그렇게 깨끗하고 순수하지는 않다. '적당히 지저분한 MIDI 파일'이라 하더라도 중간에 멈추지 않고 무난하게 재생하도록 재생 엔진을 수정하였다. 재생 중단의 원인을 알아내는 것도 결코 쉽지 않았다.