麦克风阵列仿真环境的搭建

浅夏110

1. 引言
5 {+ v7 c# z1 u3 _! g5 q# ^% E  之前，我在语音增强一文中，提到了有关麦克风阵列语音增强的介绍，当然，麦克风阵列能做的东西远远不只是在语音降噪上的应用，它还可以用来做声源定位、声源估计、波束形成、回声抑制等。个人认为，麦克风阵列在声源定位和波束形成（多指抑制干扰语音方面）的优势是单通道麦克风算法无法比拟的。因为，利用多麦克风以后，就会将空间信息考虑到算法中，这样就特别适合解决一些与空间相关性很强的语音处理问题。

. @9 R/ Z! {9 q8 B1 K  然而，在做一些麦克风阵列相关的算法研究的时候，最先遇到的问题就是：实验环境的搭建。很多做麦克风阵列的爱好者并没有实际的硬件实验环境，这也就成了很多人进行麦克风阵列入门的难题。这里，我要分享的是爱丁堡大学语音实验室开源的基于MATLAB的麦克风阵列实验仿真环境。利用该仿真环境，我们就可以随意的设置房间的大小，混响程度，声源方向以及噪声等基本参数，然后得到我们想要的音频文件去测试你自己相应的麦克风阵列算法。
4 q) E' M/ b5 l5 n8 z: a9 W
: @) }; H4 v8 j2 ]0 L. L" o" |- b2. 代码介绍
( W0 M6 s7 X: i3 v9 N4 N  原始的代码被我加以修改，也是为了更好的运行，如果有兴趣的话，大家还可以参考爱丁堡大学最初的源码，并且我也上传到我的CSDN码云上了，链接是：https://gitee.com/wind_hit/Microphone-Array-Simulation-Environment。 这套MATLAB代码的主函数是multichannelSignalGenerator()，具体如下：
function [mcSignals,setup] = multichannelSignalGenerator(setup)
6 c% j' Q4 I+ R0 N- O$ f) T
( a$ |" j& R. x# X2 \" F4 m' ?
%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
%
8 O; z0 _* h- a%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
/ U8 V( t7 [5 ?. M1 B%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
%        setup.hpFilterFlag  : use 'false' to disable high-pass filter, the high-%pass filter is enabled by default
%        setup.reflectionOrder : reflection order, default is -1, i.e. maximum order.
3 f+ _; ^8 S- A3 L%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
%           
! o* H: u4 T8 Q3 P7 T%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
) ]- C( S* R2 K0 {%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
4 p9 h; K8 _6 R4 {- X%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
%
& B+ l, N" @& g# b) U6 w2 s. O%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
- k; n1 s- C. H; t1 x0 ~%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
%        setup.ssnr : The approxiated mixing snr for sensor noise and clean siganl.
9 H' t- d# T) f& d% B$ x, e%
%        setup.roomDim : 1 x 3 array specifying the (x,y,z) coordinates of the room (m).           
* F+ V9 e( @1 f1 i- ?. y9 x%        setup.micPoints : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the mic postions (m).
$ Z0 T1 Y0 ?* I' a: F$ O* N+ t%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
; e, f$ A- o& I' }1 m) @2 ~6 }, T%
%        srcHeight : The height of target audio source
%        arrayHeight : The height of mic array
%
%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
%
/ `2 w9 j, b3 F%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
%
%                       
" x4 F/ i8 l4 h, {- A%
%
%         
%
%  How To Use : JUST RUN
3 v* z2 S" `2 A6 y%
4 K  l/ B2 R5 a+ L$ o+ Z%  
%   
/ \0 \- F0 A# C7 e4 V% Code From: Audio analysis Lab of Aalborg University (Website: https://audio.create.aau.dk/),
%            slightly modified by Wind at Harbin Institute  of Technology, Shenzhen, in 2018.3.24
, V9 ]5 I0 q1 Y) G7 L%
6 ?, Y+ X# ?! i% n6 X% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
+ ]1 J' K( K( g" ?( ^%-------------------------------------------------------------------------

0 x! g2 V( g: C" D4 _: k; X

3 l8 ?" F( T# r( v: Q2 [addpath([cd,'\..\rirGen\']);
7 H6 @) }! n8 Z- Z3 G, p
%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------

setup.nRirLength = 2048;
setup.hpFilterFlag = 1;
: y1 a$ z# b8 H3 y7 ?+ Ysetup.reflectionOrder = -1;
setup.micType = 'omnidirectional';
setup.nSensors = 4;
setup.sensorDistance = 0.05;
setup.reverbTime = 0.1;
: C" D' S, g* Xsetup.speedOfSound = 340;
0 V1 k2 f; S) s/ T1 y" q) \  g
% z: b6 J3 Y7 m$ t& G2 xsetup.noiseField = 'spherical';
setup.sdnr = 20;
setup.ssnr = 25;
) W4 {0 A/ y3 D' L/ y
setup.roomDim = [3;4;3];
: K- r$ g0 E  @
srcHeight = 1;
' R( l: {% J2 T# T4 W9 w# u0 CarrayHeight = 1;
+ E4 Y( `( I9 W, V# E
0 Y2 O. t- |2 K0 `9 F- HarrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];
; d" d. U* J# k' w7 t" T
# ]/ k4 D& C) y! s. g- KarrayToSrcDistInt = [1,1];

setup.srcPoint = [1.5;1;1];

, _( v) _  V$ A; u) s  osetup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);

! A. J7 w+ |2 J' G
[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
9 f, e6 O. j& X; L( ^  A
%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------

  ?- r. V: T$ F) b% k- \/ d
$ r3 p$ d" |) G# o, E0 ^
1 [( ~( T, E3 I! Z4 R: v%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
2 W1 g0 }, n# h) F, P( S
if setup.reverbTime == 0,
    setup.reverbTime = 0.2;
    reflectionOrder = 0;
else
    reflectionOrder = -1;
end

rirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
" h/ w5 g3 D+ j/ m7 D* t* e    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);

! X  k  d1 x* p) q, {+ S4 ~& }for iSens = 1:setup.nSensors,
9 Q5 {1 ^6 c6 l8 u1 e: z$ `8 g# |0 C/ ]    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
4 C! S( G. D  J& i7 N2 |& k, Qend
mcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
# ~8 S) j' m' G$ P* X$ P$ jsetup.nSamples = length(mcSignals.clean);

( Q4 q) {1 D9 d0 n5 R& NmcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);

%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------

mic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
0 H1 ^7 t% ?* h* |' F4 ~mic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
% I0 e  K, ^, H  pmic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
! y6 J- j, [# `mic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
audiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
* {9 t- b  z$ s( ^: R: xaudiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
' {! F& r# U% p' baudiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);
0 Q7 d+ V" s1 _
%----------------------------------end--------------------------------------------------
1 W' o( W1 u5 F
addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);
" ~5 X) I0 {& v# {, A9 M5 I
# \6 G4 A  E6 C  qcleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);
5 y3 ]! S! S1 Q/ m6 ]0 N. ?; x7 Q8 f/ }
; b, x9 {. `; b& I( I
mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
4 r+ W4 _0 @# h7 b2 r0 E' S$ b    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
diffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
" \! E( H* W' ~2 s/ @5 l, wdiffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
  a) C$ l! Q: T* AmcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));

- q0 C* z- Z2 m' ^. RmcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
sensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
) D9 _( U3 Q) n, x9 ^1 F8 A7 asensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
mcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
mcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;
" r4 J# t  r/ I, K5 X* c; k+ n
%------------------------------processing end-----------------------------------------------------------
$ N. O$ @5 {$ C2 \


- L3 l/ M3 l; J& o5 l
% O7 k6 c1 }# k- |; K- {%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------

* g1 C! T, I& Y7 Knoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
& {, D1 G/ _+ w0 W- enoisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
9 ]6 b( ?  k8 C# {7 J1 Ynoisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
1 p0 n- M) _0 gnoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
3 c9 g: x9 K9 H( e9 Tl1=size(noisy_mix1);
l2=size(noisy_mix2);
l3=size(noisy_mix3);
' N4 c/ [2 Z  y+ L4 W- ]l4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
0 _+ Q, P8 [6 U; daudiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
4 s' s% d$ L" I. ]0 Naudiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);
5 j  q: E: c  h: Q' G- s
( j" w& B5 e; g. S' u
, w3 C, r2 A2 q" C, _8 k% ~; ]( ?%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
) |$ l; I) I3 ]: o8 F5 T1 q, v这个是主函数，直接运行尽可以得到想要的音频文件，但是你需要先给出你的纯净音频文件和噪声音频，分别对应着：multichannelSignalGenerator()函数中的语句：[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav')，和generateMultichanBabbleNoise()函数中的语句：[singleChannelData,samplingFreq] = audioread('babble_8kHz.wav') 。
$ W' ^- J7 U/ Q( m5 h直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。

" N2 v( o- y+ R  除此之外，还有一些基本实验环境参数设置，包括：麦克风的形状为线性麦克风阵列（该代码只能对线性阵列进行仿真建模，并且还是均匀线性阵列，这个不需要设置）；麦克风的类型（micType），有全指向型（omnidirectional），心型指向（cardioid），亚心型指向（subcardioid，不知道咋翻译，请见谅） , 超心型（hypercardioid）, 双向型（bidirectional），一般默认是全指向型，如下图1所示；麦克风的数量（nSensors）；各麦克风之间的间距（sensorDistance）；麦克风阵列的中心位置（arrayCenter），用（x,y,z）坐标来表示；麦克风阵列的高度（arrayHeight），感觉和前面的arrayCenter有所重复，不知道为什么还要设置这么一个参数；目标声源的位置（srcPoint），也是用（x,y,z）坐标来表示；目标声源的高度（srcHeight）；麦克风阵列距离目标声源的距离（arrayToSrcDistInt），是在xy平面上的投影距离；房间的大小（roomDim），另外房间的（x,y,z）坐标系如图2所示；房间的混响时间（reverbTime）；散漫噪声场的类型（noiseField），分为球形场（spherical）和圆柱形场（cylindrical）。

5 q* k- V, |( L. C# c

9 B9 l" J# W* x$ q1 |图1 麦克风类型图

图二 房间的坐标系
* C9 s0 x6 t1 u# O  u3 y5 a% |9 `
5 l8 ~5 k. M' R% M  以上便是整个仿真实验环境的参数配置，虽然只能对均匀线性的麦克风阵列进行实验测试，但是这对满足我们进行线阵阵列算法的测试是有很大的帮助。说到底，这种麦克风阵列环境的音频数据产生方法还是基于数学模型的仿真，并不可能取代实际的硬件实验环境测试，所以要想在工程上实现麦克风阵列的一些算法，仍然避免不了在实际的环境中进行测试。最后，希望分享的这套代码对大家进行麦克风阵列算法的入门提供帮助。
! e$ t7 C4 P' l- w. f& B' O, D; P6 u! \————————————————
# S6 o1 f$ I* p9 Y; e& E' [: g版权声明：本文为CSDN博主「Mr_Researcher」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
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5 A" y+ t, `4 f  l: l' ?/ E
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