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。

  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。
, O; d- Q% ~* ~2 m* x* J+ R, h
! Y5 d8 I% e& J, E2. 代码介绍
, `/ o6 M2 ^8 S  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)


%-----------------------------------------------------------------------
# Y- S+ u2 H( Y% P9 c: E; s% w* K%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
%
, k8 C$ a+ c* t' o1 q%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
" H. L" \0 d5 q2 v5 n%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
' Q0 g" u- I8 o8 \: z$ r5 c%        setup.hpFilterFlag  : use 'false' to disable high-pass filter, the high-%pass filter is enabled by default
; q3 ~, V& V+ A9 g6 K3 V%        setup.reflectionOrder : reflection order, default is -1, i.e. maximum order.
  h$ K8 I1 x& I%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
6 D" W" i+ V6 ^" B: D4 c%           
%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
* w# V! D9 p7 k, V7 }. n9 B. m( {%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
, f5 J8 `3 X; M5 {+ {%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
%
! q3 s' P- A' ], {+ H$ j1 d%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
' ?( b! q  q3 R, }+ B%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
%        setup.ssnr : The approxiated mixing snr for sensor noise and clean siganl.
' f3 y# K, s- x( @. O$ R2 B. w9 @%
3 p5 z. V2 w5 m; C; d) W%        setup.roomDim : 1 x 3 array specifying the (x,y,z) coordinates of the room (m).           
%        setup.micPoints : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the mic postions (m).
. e2 }3 o; x# p$ I, m" a* Q& O# I%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
%
%        srcHeight : The height of target audio source
" Q1 ^/ W8 v% F  g) J$ N%        arrayHeight : The height of mic array
%
" ]  J0 F$ V2 p3 N( X' f%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
%
/ y7 u3 s( a: |5 T( S%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
%
( o0 H, p- g8 A: R4 y1 h# Y%                       
: X. w/ N* S) x( j5 p9 v9 l- ^  v6 \* j%
! h* X3 P. c# d. Q6 E) j%
%         
: v) y( {$ B% I) D% `%
- m9 l# W( P/ O+ z9 X1 R& M( h%  How To Use : JUST RUN
%
%  
%   
% Code From: Audio analysis Lab of Aalborg University (Website: https://audio.create.aau.dk/),
8 M, B% M7 J& s5 _* L; R! ^%            slightly modified by Wind at Harbin Institute  of Technology, Shenzhen, in 2018.3.24
" U! A% {& J1 R%
% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
5 D3 i7 T& A* m# w. |4 i' e%-------------------------------------------------------------------------

% N/ i1 c9 ]; i1 Q
! o2 W6 D( i" k
; N+ \2 _/ Y1 Z; I2 Daddpath([cd,'\..\rirGen\']);
. H6 l! F8 X' s% Z: k  b
  c, \( g  Q+ ?%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------
1 b9 M: i: P! Z  h. |# e5 R  ~/ y) Y: ~
) Q8 y7 v& A  w  _9 _7 T( esetup.nRirLength = 2048;
& Z; \- b: L$ Lsetup.hpFilterFlag = 1;
setup.reflectionOrder = -1;
3 }! R) h- s3 @3 j! Psetup.micType = 'omnidirectional';
/ b+ O% N6 M% ?" d, C. S: esetup.nSensors = 4;
setup.sensorDistance = 0.05;
setup.reverbTime = 0.1;
. m0 d; [9 b" C+ y& gsetup.speedOfSound = 340;
3 ]* a2 p4 Z) K: |" ]; {4 c* L  s
8 `- E/ Z" f4 K! U3 osetup.noiseField = 'spherical';
" A$ |# q/ Y' s3 Wsetup.sdnr = 20;
; ^# z, J5 g" q7 G# \setup.ssnr = 25;

setup.roomDim = [3;4;3];

srcHeight = 1;
arrayHeight = 1;
9 Z7 B* g' Y) b9 [& G: ~4 x
, V" t7 a' z& m: i& varrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];

arrayToSrcDistInt = [1,1];

3 F2 t) v' G7 n: {3 J9 K* c; Jsetup.srcPoint = [1.5;1;1];

9 a* p# k4 i/ b5 y) w9 W4 _& b: Ysetup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);

  B* p, c/ C* x/ n" S0 d6 E6 Q8 \
6 i6 v& H& q+ r4 y7 X, R[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
3 v. J) s% A! B* E" Y' P$ i, T# p
%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------



5 T4 x7 [8 r. Q# F%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
; M: A& x% W+ \6 V/ M+ Q
% w- @% _8 D# ~( J+ D/ b3 Uif setup.reverbTime == 0,
    setup.reverbTime = 0.2;
    reflectionOrder = 0;
8 i$ U4 x1 t+ x0 @0 B- F! E: ?else
6 D0 }0 r$ z3 l3 R- j    reflectionOrder = -1;
- M5 v' ?# o# B) Iend
9 V0 U9 V3 M! o  p/ o$ u5 b, X
( X! }) Z+ j. _  S) S# y9 VrirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
! j; Q3 E5 w# L    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);
, q6 X8 f/ e% G/ O. j
- U5 q: D+ o5 O8 O/ }9 `8 dfor iSens = 1:setup.nSensors,
4 _( K: F" g" B    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
end
0 f* Z( ]* }: GmcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);

mcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);
, r2 w) H" i; J' G
%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------
+ M, E; k. `% d
4 Z9 c, C6 b7 m" Y) kmic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
mic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
mic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
9 N: V( W5 D- Cmic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
) a- T3 w% M# c% r/ M, p: saudiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
) \; B4 z* G" Y: s6 o, }& Haudiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);

%----------------------------------end--------------------------------------------------

addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);
( ^- q/ I/ l* j  ^$ t: n& b9 V
! U  ?4 G% S2 T4 t, C: B9 NcleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);
6 o& @: Z2 q/ _& s+ Y
" H- |; f& E! e. V) v, U
mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
4 L/ Z- u$ U0 ~) V, t1 p    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
; ?( G' g# A$ _! o1 {diffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
8 o2 y8 G% r! I% w/ DdiffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
) x( \$ P; d! RmcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
; D. h' P* K4 k  ^+ e    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));
. F9 d6 K) k9 c. a6 @
9 X- b( R* B+ q2 U, m4 c( @mcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
. U/ Q- N2 G# [4 PsensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
! T' ]. L) e+ j' B5 @) A, x  x) KmcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
0 m5 c- s  N1 ImcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

%------------------------------processing end-----------------------------------------------------------

& R" h& a- P: y
. ~8 U, c7 G. P( \  e

# N: }( M& c7 M+ ~/ b5 a# A( |- d%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------
5 o/ x4 h$ s( h! v  @6 O' V6 G  q
& F, T( P0 Y( k+ Cnoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
+ Q7 M4 U  d8 |5 s- a, Qnoisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
noisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
" h" R( U8 k8 I: w5 _; }l1=size(noisy_mix1);
- j5 F3 ]6 ~% k. Y! ^' t  H( C7 ?l2=size(noisy_mix2);
l3=size(noisy_mix3);
l4=size(noisy_mix4);
5 Y/ ]3 x2 d+ G8 x  u0 Paudiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
7 p8 p- x2 n6 Waudiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
  Y) o5 {  g2 k+ `0 B& oaudiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);


%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
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') 。
( J' Q. l* P& ?& h8 g# L, ^7 s6 c, ^* Q直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。

" N; }1 n- T# g/ i5 T( ]7 }  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）。



2 S% G' w% d. }3 D; ~4 v; ^图1 麦克风类型图
* I3 Z; t0 e8 A' Q
图二 房间的坐标系
- N0 b) [& l; T  M4 Y2 O
3 y& n4 ]8 E( O: i) @& m0 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。
2 i% f# q' d* U4 F; D; B5 s————————————————
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. K" m# b' p: b0 X/ z$ p' U原文链接：https://blog.csdn.net/zhanglu_wind/article/details/79674998

- Y' n; U- M& X
' m, c8 B+ T1 H, `2 z