麦克风阵列仿真环境的搭建

浅夏110

1. 引言
  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。
( a$ J' i% {# `3 A% q0 ~  ^/ V
& f4 m' [& d% S4 ?2 i) `  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。

9 z, o! Y3 O( E% y. N2. 代码介绍
  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)

8 u3 D" a, w! x) v% N+ @  C2 x8 a. o
' W9 h" w5 T; k) ~# ]8 Y3 T6 a. Y( u%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
6 q* V1 M/ _  H  [0 V%
%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
, W" ^- v$ C, n3 h; G%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
2 t$ g; S) U( ]2 p% \%        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.
%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
3 }; z2 y5 n" t%           
5 w1 H' D; L4 a; q" r: Z$ `%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
0 s3 ^- t8 {! \+ }2 X. t, b) O%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
& g1 R. s% {9 ]$ I" l%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
4 [9 ^: I1 R0 V: D  n) W9 `7 T%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
0 l/ j; G5 S, v; Z3 z* x2 x$ g) x%
%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
0 c7 B3 L) W! W/ C8 U* ~%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
( j5 I) s3 X+ C  n8 B3 w%        setup.ssnr : The approxiated mixing snr for sensor noise and clean siganl.
%
%        setup.roomDim : 1 x 3 array specifying the (x,y,z) coordinates of the room (m).           
  j8 [" t2 N2 ~) l%        setup.micPoints : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the mic postions (m).
7 r3 u# V' F( k) F( Y# I%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
%
8 Z) U$ H# ^" D$ h8 ^5 t3 Y%        srcHeight : The height of target audio source
" _* V5 |" {* M/ g* g6 G%        arrayHeight : The height of mic array
%
: V; c! _! e# M! e% r$ d: N%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
%
%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
: M( u( o4 L. {, L( {! f%
" Y8 `4 }# y8 h+ ?5 H%                       
! ?/ ?" v) {$ F8 m  h%
7 K9 _' g  J% {( v3 X6 p- W%
%         
$ a7 x* \, I# M+ z$ A* H, u2 ]%
%  How To Use : JUST RUN
% o: k, `" N2 L4 i2 e  B%
, W5 L2 D+ C: |" G5 d%  
% v# o" H1 S3 w%   
% Code From: Audio analysis Lab of Aalborg University (Website: https://audio.create.aau.dk/),
) |1 t6 g: i. F0 i6 |%            slightly modified by Wind at Harbin Institute  of Technology, Shenzhen, in 2018.3.24
' [# Q' c5 P0 @* t) F' u: P%
% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
) W) v) {& w3 Q$ `" K7 n%-------------------------------------------------------------------------
' I. d  `# b" s# U

6 J9 p  V  G  ]. x
$ w$ g/ z: `+ v7 G1 u* Daddpath([cd,'\..\rirGen\']);
* ~4 T6 F- a$ z; P
%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------

" Y& y$ S$ A& @6 v$ fsetup.nRirLength = 2048;
7 O  R1 r$ ?" U1 X4 {setup.hpFilterFlag = 1;
" E4 [6 ]8 X( T6 `9 }/ Fsetup.reflectionOrder = -1;
0 g; t4 M! r' w# z. C! U! s2 n: hsetup.micType = 'omnidirectional';
setup.nSensors = 4;
setup.sensorDistance = 0.05;
: k9 d9 E4 u9 x$ ?0 [setup.reverbTime = 0.1;
setup.speedOfSound = 340;
* L! D- I/ R$ y- B5 z1 ^
7 G& o  Y5 o# y, r3 ~setup.noiseField = 'spherical';
setup.sdnr = 20;
setup.ssnr = 25;

setup.roomDim = [3;4;3];
6 V; n. ~  H$ z$ `
srcHeight = 1;
arrayHeight = 1;
' d* \7 U+ [9 L. `. i$ _
$ Z) I8 |( f& X7 TarrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];

- ^. N  x0 F: r9 K$ z9 c. ~. S" harrayToSrcDistInt = [1,1];
6 {. G, z& b, c5 V9 f9 e9 S1 r
setup.srcPoint = [1.5;1;1];

setup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);
5 W2 z2 ]( `# C. X: A8 y5 ]/ O
  f& n0 H, d8 X/ }# ~& Z
[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
2 e: a& R* K  F; o6 P# `0 P7 j
3 b8 M8 A' r, Y( S0 M%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------
+ F- Y" n6 E! b6 B9 ]5 I* f. ~0 ?

5 z# D6 T( x2 F  c: m/ n6 ]
%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------

3 p) C4 b* R$ [3 `+ rif setup.reverbTime == 0,
' P7 N$ ]0 S  u! p' }  s1 r    setup.reverbTime = 0.2;
% `/ ?" _2 t' N" R    reflectionOrder = 0;
else
: S2 e% W# o( R' s# M* Z    reflectionOrder = -1;
end

rirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
7 o! o! G- D  z5 X( D) X! ]7 o3 b    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);

for iSens = 1:setup.nSensors,
0 i' ]9 E; X% ]    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
0 x: H$ Y) l# @4 Nend
mcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);

mcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);

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

( V% h: J( N9 |. q9 [4 G, m5 Cmic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
1 K) e$ V. k* V5 k# @" r+ |mic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
mic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
& X' O5 Q& P7 t5 H  z6 ?9 F7 ~mic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
: q  @( C9 Q3 L7 D0 h( uaudiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
: f7 @& {0 o. h  [5 haudiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);

0 J% G) ], X8 w0 ]9 ^7 i$ L; q%----------------------------------end--------------------------------------------------
- V4 x9 V; z# G, w
addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);

- G0 @+ _$ |* M. V3 ScleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);


mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
' g5 ^9 c5 v+ c& x( }" k2 j3 rdiffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
diffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
1 f/ U- T# H! {" R* Y$ @( f, SmcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));

0 d8 ?1 i1 t, Q  q# b) G+ l& bmcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
, u. s7 }$ z0 R1 E4 w. O0 osensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
, G# j, N, Q* K+ @: P( _mcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
/ J% u2 i4 Q  _( M2 }; y) K    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
; g  a% s# \1 C2 JmcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

%------------------------------processing end-----------------------------------------------------------
+ I* m( J$ g/ U0 O3 |8 t


' O$ }5 r! ^- c& G6 Y7 x
%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------

% X/ a. M0 j. K6 Z. @8 i! b7 G+ Bnoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
$ Y5 T( ~3 u& ], ]* b3 u. y4 Jnoisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
( P# r: `$ n; C: E1 m4 V, N, s( inoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
5 s3 y5 k8 k5 f5 i; T( Dl1=size(noisy_mix1);
l2=size(noisy_mix2);
l3=size(noisy_mix3);
8 m0 p  ]0 R7 l1 R9 Al4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
" ^' h+ ^- k, P$ f4 Aaudiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
. [+ O) n9 v. F7 Daudiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);


%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
; D5 i9 v5 }3 L: |4 \5 d; p9 _$ b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') 。
直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。

6 _6 m9 R: ~* [& a* D( I7 `9 ~  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）。
- i6 ^2 L) F" x
% C& @  p3 }* }" F

图1 麦克风类型图

图二 房间的坐标系
# c, r5 ]: |! Q4 w, A
  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。
2 c  e- {! m/ H————————————————
: Y. d: K( [+ v) `  C5 Q, Y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。
0 V) v5 m. |. s. M原文链接：https://blog.csdn.net/zhanglu_wind/article/details/79674998

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