如何测量MIDI乐器与Web MIDI API之间的传输延迟？

核心问题 #

当通过Web MIDI API接收USB连接的MIDI乐器发送的消息时，如何精准测量从演奏乐器音符到Web端收到对应MIDI消息的延迟时间？理想场景下，我们希望依托Web端的高精度时钟（如AudioContext时钟、performance.now()、document.timeline），同时确定MIDI乐器上实际演奏音符的时间点——毕竟消息接收时间必然晚于演奏时间，中间涉及缓冲处理、信号传输等耗时。另外，MIDI乐器发送的MIDI时钟消息是否可用于延迟测量？如果可以，具体该怎么实现？

已尝试的测量方案 #

• 让用户尽可能同时按下电脑键盘按键和MIDI鼓组音符，多次重复操作后，取键盘按键触发时间与对应MIDI消息接收时间的平均差值作为延迟值。
• 设计视觉引导：让用户在移动的黑线与静止红线重合时按下鼓组音符，再执行上述时间差计算并取平均。
• 用Web Audio API调度节拍器蜂鸣声，让用户尽可能同步按下鼓组音符，测量蜂鸣调度时间与MIDI消息接收时间的差值后取平均。

现有方案的潜在缺陷 #

• 严重依赖用户的同步操作能力，人为误差波动大。
• 视觉引导的线条基于requestAnimationFrame实现，约每20ms重绘一次，即使多次重复操作，这种帧级别的误差也难以完全抵消。
• 节拍器方案的准确性受额外延迟影响：Web Audio API调度蜂鸣的时间到用户实际听到蜂鸣的时间差（包含音频输出延迟、声波传播到耳朵的时间），会导致测量基准偏移。

基于MIDI时钟消息的延迟测量方案 #

MIDI时钟消息（每四分音符发送24次的时钟脉冲）可以用来实现更客观的延迟测量，无需依赖用户操作，具体步骤如下：

1. 同步Web端时钟与MIDI时钟：
   • 首先在Web端记录连续多个MIDI时钟消息的接收时间（用performance.now()或AudioContext.currentTime），计算出MIDI时钟的平均周期，以此校准Web端对MIDI时钟的预测。
2. 触发MIDI乐器的同步时钟输出：
   • 确保MIDI乐器处于“时钟输出”模式，持续发送MIDI时钟脉冲。
3. 计算延迟值：
   • 当Web端收到MIDI时钟消息时，对比该消息的理论发送时间（基于校准后的MIDI时钟周期推算）与实际接收时间的差值，多次采样后取平均值，即为从乐器发送时钟到Web端接收的延迟。
   • 由于音符消息与时钟消息走相同的传输路径，这个平均延迟可以近似代表音符消息的传输延迟。
   • 注意：部分MIDI乐器的时钟输出和音符消息可能存在内部同步误差，需要额外验证两者的时序一致性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者vuelicious