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。
- D: }/ D% e- R4 b' O1 H8 k. v
3 K5 [) ~' k* v7 a- g  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。
5 A& l0 @/ b2 B. @1 V. T
2. 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：
4 Z" ~  d$ J" C  Z, E  l1 k4 Hfunction [mcSignals,setup] = multichannelSignalGenerator(setup)
+ ]' w1 c( U: ?

%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
%
%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
: B3 W- s$ e4 H3 i" l4 |%         
: a, S! j6 }) Q" d%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
% i. U, v6 P) W& k%        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.
- R% a5 q& w4 z+ y: d" O%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
%           
! u: {$ C8 T/ ~%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
" A0 k& C. ^1 J# U* G& C! l' |%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
5 u1 h0 K3 S. a7 ~%
%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
; F4 i& u" F/ S%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
%        setup.ssnr : The approxiated mixing snr for sensor noise and clean siganl.
%
4 E7 X% p; y4 b) V" F9 F( o%        setup.roomDim : 1 x 3 array specifying the (x,y,z) coordinates of the room (m).           
* `8 w' H6 K  M$ S%        setup.micPoints : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the mic postions (m).
" S8 f$ V& k/ Y% i6 U9 I%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
%
) r" G" X' Y$ }# P( e2 g9 K2 Z%        srcHeight : The height of target audio source
%        arrayHeight : The height of mic array
8 p6 s4 D" V, H%
  Q% n9 Z. ]2 u" y% `0 z%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
& o- j5 q& j! I0 x1 a%
%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
1 y" y* q* ]. S" o6 l9 l3 a" G%
%                       
%
%
%         
- h( g: E3 t; a' ~( F; B. L3 r%
8 |; ^" j, X4 s( L. Q%  How To Use : JUST RUN
%
%  
" ~  e% Z4 e& L$ r2 z# b& J* V%   
% Code From: Audio analysis Lab of Aalborg University (Website: https://audio.create.aau.dk/),
2 ?+ v) \* b4 _1 \: u- o%            slightly modified by Wind at Harbin Institute  of Technology, Shenzhen, in 2018.3.24
# }6 |; B) w0 k) M%
% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
, `* u4 m6 ~, b5 O  _3 g  M%-------------------------------------------------------------------------
: v# \  ~& L+ z2 V7 k/ {
, _9 [' N$ n2 b7 Z

. o5 w3 K/ V2 O' j# L+ l. C6 saddpath([cd,'\..\rirGen\']);
4 ~+ R8 F- x3 i: N
%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------
( \8 x/ N; |/ w+ X4 f
setup.nRirLength = 2048;
setup.hpFilterFlag = 1;
setup.reflectionOrder = -1;
setup.micType = 'omnidirectional';
  ]: d6 @; h7 |8 \+ i( h2 o+ Esetup.nSensors = 4;
setup.sensorDistance = 0.05;
setup.reverbTime = 0.1;
/ ~1 R' x3 j5 h5 [4 o  K4 Lsetup.speedOfSound = 340;
$ I: B: Z+ A: `2 m8 C9 T
7 K& a/ Z  ^0 Q& g# B( b# Dsetup.noiseField = 'spherical';
! ?! y) ~- C. O  r4 wsetup.sdnr = 20;
" n. P3 ]/ c) hsetup.ssnr = 25;

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

srcHeight = 1;
arrayHeight = 1;

arrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];

arrayToSrcDistInt = [1,1];
& q+ h8 M& {% W8 z. u- Y8 L* R- {
setup.srcPoint = [1.5;1;1];
7 C3 l: m2 f7 P* ]' @! N5 i
setup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);

) A3 h0 C- z( M2 X- ?$ l
[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
. P6 m6 H2 p6 w* n, i7 ]
. r8 f1 }+ E$ m%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------
9 w6 q# y: x) _


%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------

! S4 j$ {5 R9 o: j1 A( nif setup.reverbTime == 0,
    setup.reverbTime = 0.2;
$ h( b* }: S9 L1 c% j+ P+ K    reflectionOrder = 0;
9 ?# i: W! ]4 q) F/ b/ B- belse
    reflectionOrder = -1;
. Q& c, \- g6 t6 iend
: Q0 v- @: v+ P$ V# \' B5 n
rirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
) k( w% j- S+ k- s- A/ i: B- a, j# A    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);
1 |7 Z' T& Y+ d* O1 v6 s
: J5 J+ ^  A' Qfor iSens = 1:setup.nSensors,
! B; T, k0 `& F; Z: F8 R    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
, ~. }- D3 u9 ?end
) P: Z7 K; F. d% \: f/ emcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);

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

$ \) S- V  n' J%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------
; p# \; A, h0 @* S/ h, q: A
mic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
/ G. S" y/ W3 t1 @( u. Dmic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
mic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
mic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
audiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
. X9 x: g, L  z( S& M) g" qaudiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
# B) }6 n) S% H# R+ e8 maudiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);

+ n: G0 ]+ s- N%----------------------------------end--------------------------------------------------

  V+ Q) m+ J/ \1 ~addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);

cleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);

4 ?# S* D9 z3 S) ~4 T' [& D
! ~* P, I# c3 f+ N* r6 `% o& RmcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
+ [, V) B. C7 }    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
diffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
" c, Y; C2 r6 L0 H" v+ m) f& K" g8 W- fdiffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
8 s; K$ s: [/ M$ H2 w  t- GmcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
5 p2 A. g! g5 t' y' S    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));
) U! Q" _" g1 C0 F3 Y" B* }
6 a, f3 D& m# I- V/ {) LmcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
sensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
8 c. V$ [# [; r9 ^, q/ Y, \4 o' ?* VsensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
+ c4 g1 `# h8 a: r) hmcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));
0 {& }6 V9 P' ~  J4 w, X: w) E
. s2 i/ U2 G' S& e6 JmcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
8 e- T0 M5 ^' Z, QmcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

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



2 T1 k. d9 S3 N
%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------

noisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
7 f( l  n* R8 V  }9 x  D5 ]noisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
& o2 x: f' S1 ~. V/ P) ~; e3 N0 Knoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
( a. h: ]! y. O7 sl1=size(noisy_mix1);
3 E: }8 d9 E. x. K3 X% Rl2=size(noisy_mix2);
$ t# n" _6 g; A5 w4 ~: al3=size(noisy_mix3);
l4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
' E  z$ w" D) l5 R. ]/ r  Yaudiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);


) c2 m! n. k/ Q4 u%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
/ l3 E% Z1 X: m+ S' U9 [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') 。
$ n7 C, K4 S- [  z直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。

% ~+ C4 r5 p5 R1 P  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）。
" i/ ]9 K  j& u0 y" H) P


' ?8 ^+ y$ C$ o- N图1 麦克风类型图

* C( u5 D3 r  U% a; D$ V. s) @图二 房间的坐标系
- _/ _! E/ p+ n1 \+ T3 h
. a+ |. b$ r# G' T( s! E  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。
9 g& y' A" J2 B5 r————————————————
; V6 Q8 W+ i0 U! C) E( d$ q3 l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。
- N$ p8 V9 p: }% t2 r8 {3 h6 u( Q原文链接：https://blog.csdn.net/zhanglu_wind/article/details/79674998
; E, z- _" D4 d6 z

, X! l. L( r8 D