麦克风阵列仿真环境的搭建

浅夏110

1. 引言
  P5 v# Q8 q5 j: o/ y: [) c; \  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。
% M4 q1 [4 n9 f. f0 X
1 y9 d* U2 E3 \- a  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。

2. 代码介绍
  w' S+ G$ T" `" K# k  e  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)
$ u) r$ A/ n* {+ ?. Z
+ l( q9 J& u3 G6 ^$ B
. E, [" L3 _) L. g% E%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
%
" m) p  M6 U1 |& T; V%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
, ~* M- b; c5 ^5 b4 J%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
" Y; W# l+ c3 x" C, c%        setup.hpFilterFlag  : use 'false' to disable high-pass filter, the high-%pass filter is enabled by default
7 x! ~0 H; t, Z' C  F%        setup.reflectionOrder : reflection order, default is -1, i.e. maximum order.
%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
' Z( ^8 `+ ~7 _2 V%           
5 h; w  q( d: M: ?7 J%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
% Y1 b. b# r, w. n( r/ U# }  Y%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
: x" Y% x( j! X1 ~%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
; F- p( m9 }% c$ J9 b# e( U%
6 b/ M# O' }. b  {# _% k6 a7 c4 J( D! l%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
1 D5 S; w# k* A' c%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
%        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).           
%        setup.micPoints : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the mic postions (m).
, x7 X/ y  ^1 u%        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
  \8 r8 ~' R3 m%        arrayHeight : The height of mic array
7 J/ i) a+ g- O! k' e$ A4 ]%
%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
%
' |! c$ ~: H1 W) p' Q0 p9 s8 k8 m%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
%
%                       
%
%
% F6 n/ C5 l- y% I' j7 R  [%         
%
%  How To Use : JUST RUN
4 T$ p2 L+ K9 u! \%
%  
# g8 D4 j/ W' S  _  k0 C7 I* l%   
# Y' Q0 w$ c* s! d% 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
%
. Z, d* U) y* W- s5 f" w% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
/ e( G6 H( x+ s9 K, u4 Z: A%-------------------------------------------------------------------------
; S! C; s1 `& ]
- z: R: x8 s% c( x) S3 h

addpath([cd,'\..\rirGen\']);

%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------

5 X/ X% B$ Y) A7 c: B5 jsetup.nRirLength = 2048;
8 J  T  y- H& o/ i+ y! x# z7 c1 _5 ?setup.hpFilterFlag = 1;
setup.reflectionOrder = -1;
setup.micType = 'omnidirectional';
setup.nSensors = 4;
8 u3 ^3 I7 H) Q3 m3 p* \setup.sensorDistance = 0.05;
setup.reverbTime = 0.1;
setup.speedOfSound = 340;
5 r9 M5 d; U* I9 i
setup.noiseField = 'spherical';
% x. i1 S$ A  b4 J" osetup.sdnr = 20;
setup.ssnr = 25;
* V% C# v- i, a% Y" A
' R8 ^! Y+ ]$ w. V1 ysetup.roomDim = [3;4;3];

srcHeight = 1;
arrayHeight = 1;
. ?3 l& E; r8 @& p2 i4 o) W: k
$ i5 m9 U4 Y4 |/ ~+ aarrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];

0 _# S3 v* g2 Z% j0 {2 harrayToSrcDistInt = [1,1];
6 g9 u: @+ W; k+ [1 E! U3 q4 v
setup.srcPoint = [1.5;1;1];
$ V: K& O! a8 Z$ U9 S
setup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);


[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
1 f- B  N, U- I/ v2 y
%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------


6 I+ @7 l( I7 r, c& J
%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
4 q+ m% w8 u$ R0 e0 v
if setup.reverbTime == 0,
. A1 V7 d* [) P) k( G1 w+ N. Q/ E    setup.reverbTime = 0.2;
% n+ s8 j3 G$ |! z: P2 b7 J' D( ~; I    reflectionOrder = 0;
else
, ?2 ?  j/ d& [    reflectionOrder = -1;
end
: D3 U" B+ ~" o$ g3 p1 {: D
. P7 K! O( T  @/ Z7 {" M4 B+ \rirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);

for iSens = 1:setup.nSensors,
% g  {- h  X( H! s/ i8 k* Y& `    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
end
7 w" d. e$ d+ }/ H3 q% t6 c3 PmcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);
: e0 r% y% I5 Y& s
3 w! K; G8 x  v9 [9 ImcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);

1 K5 N. @$ x" }+ P$ p%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------

% \3 v( w9 l; f/ j) w# f) Smic_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);
mic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
% T& D% ^# O9 T% B* P7 laudiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
& U7 L, O) n- Q& a2 m8 r, Saudiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
! O' J2 a. V$ t3 _audiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);
9 G. G" S' m6 I9 [6 b2 U/ K* q
%----------------------------------end--------------------------------------------------
2 R4 p, _+ q6 S; k1 C
addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);
( m- P" \- X; L
7 E* {! Q; N  e! W& }& wcleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);


: I% L) E- E3 dmcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
diffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
diffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
' N2 r& N0 _- ~! ~' p+ s8 l0 S$ ]mcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
1 M( Q% U7 r1 m2 W2 B0 F    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));

6 E% _6 Y2 {4 G/ k6 ^  M7 kmcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
sensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
mcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
5 A% z7 Q2 N5 `0 M8 l# `    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

8 d" ]9 u0 l. _$ z6 T! C/ @mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
mcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

5 @0 B+ g( i3 k+ ?+ z- h* }%------------------------------processing end-----------------------------------------------------------

: v" S2 A4 |; |1 V
4 m0 m: X5 h. g: A1 k. k% t
1 ]6 J1 L3 r- c9 B. c9 x
2 k" W& U2 N- h2 I  e8 G%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------
( }. H! c1 @- h" g$ @" `8 d: ^6 L
) U1 ]7 j* p' U9 Hnoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
5 A- r' }( |2 t2 Q1 ~1 [noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
noisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
& I9 |, o" ~( [6 `' p& enoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
5 _! a6 j7 S% pl1=size(noisy_mix1);
l2=size(noisy_mix2);
3 J, P1 h6 f& Y; Y- k& p( ]l3=size(noisy_mix3);
" `3 I% q) V. a+ Z, _  cl4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
* C& o$ G: Q8 i% d5 f! a& Daudiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);


%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
) v, n2 `! }9 D; M- g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。
( j% C: H# w  T4 i  f
& d7 h% @7 b, q* [5 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）。
: p5 ~1 b$ h" j3 k9 F


图1 麦克风类型图
" p$ b) N$ E0 n$ t- n
: N5 f3 i* f/ B+ m$ P$ {  F图二 房间的坐标系
7 I  [; G5 w% `+ O, }
4 _2 @* L% q7 l6 ^6 H  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。
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1 h; I7 j  @7 O: }0 Z. I
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