麦克风阵列仿真环境的搭建

浅夏110

1. 引言
5 ^* ?0 d4 y- c9 {9 @  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。
3 |+ s9 y- X9 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。

2. 代码介绍
, t& F& _- r0 l4 D8 T$ e: b  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)
. J/ D9 X6 u( g; E. ^' u/ J8 r
; |0 E  W# B3 _. C1 S9 T% ?* k1 [
+ X) [2 i  o3 g0 f. K) S; q2 T%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
; r9 Z5 _1 z7 c: K" B( d%
%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
/ Y, J+ u9 k1 h( S%        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.
1 p8 c) x4 X1 F4 j3 P  ^1 X0 h%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
%           
7 g1 K, b7 W* j& D) m9 C! B! m%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
( ?6 J* Z0 A# [4 R4 `7 H%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
" \4 T" y4 w! f, j/ n%
%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
%        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).
( J# G3 ]1 f' ^+ D- S6 E4 I+ S%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
%
" P$ D) Z' j/ X- @' m8 z%        srcHeight : The height of target audio source
%        arrayHeight : The height of mic array
%
%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
%
" k4 O$ S  X& O; i" @%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
%
) c# t  e! `" v: d& V7 [%                       
. E; @% I7 D& R' M, @5 d%
( g( }3 l2 i& t9 ]# ^: V%
%         
6 B' b# y) ^0 F; h; m2 h  R1 p%
& A: M& c; j; T%  How To Use : JUST RUN
9 R4 J! t' n1 g# w# }3 s%
%  
%   
! |5 i" O2 a' D- X7 g% Code From: Audio analysis Lab of Aalborg University (Website: https://audio.create.aau.dk/),
8 J# y1 K0 |# p0 {% d1 a; b( [' q%            slightly modified by Wind at Harbin Institute  of Technology, Shenzhen, in 2018.3.24
8 s0 q9 S2 F" r) \" v! z  ~) t%
* f7 V, g( {1 c* l7 d% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
  |7 Y. _0 R3 Y%-------------------------------------------------------------------------
4 m2 L) y. M2 M0 c" |7 T

# ]+ {. b) Q! Y$ T9 ?
addpath([cd,'\..\rirGen\']);
6 C* u/ z7 I7 E. D3 V3 w- v
9 `  X* P( h2 M" k4 ~: e/ m" i, @%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------

& ^8 H  n) p9 esetup.nRirLength = 2048;
setup.hpFilterFlag = 1;
/ f% M+ B0 C4 Dsetup.reflectionOrder = -1;
setup.micType = 'omnidirectional';
setup.nSensors = 4;
setup.sensorDistance = 0.05;
* F7 Q! I2 h3 d# [9 Y! ~* N. Gsetup.reverbTime = 0.1;
setup.speedOfSound = 340;
" @! ~( ]8 f  y7 b6 _* |7 t0 ]
9 g$ T- {) A& ~% [; }: J% v7 ]3 fsetup.noiseField = 'spherical';
setup.sdnr = 20;
setup.ssnr = 25;

/ |7 t; y6 ]( y' t7 e% P5 Psetup.roomDim = [3;4;3];
5 G- e) t" c: m
srcHeight = 1;
arrayHeight = 1;
& a) y" ]( U3 J- E$ W; h# }/ {
arrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];
" X7 N& \/ ^$ s8 S; d3 z1 R+ e
arrayToSrcDistInt = [1,1];
3 D2 F' l! a* ]
3 O; B2 O3 y; m' N7 l; \6 dsetup.srcPoint = [1.5;1;1];
' v# _) G* c. G' I% z" ?3 G
$ S% O2 J  `% I/ s. G! v! {setup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);
) Y) t- j% J1 F7 M: q
* v. I* T* e+ {% Z
[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');

' G; w2 R8 g4 o) C$ T6 J: M%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------
4 ~7 q/ a, R8 v7 g1 t# O

9 w+ A; h( k8 o- m6 U9 r9 M
%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
3 x: O5 L8 z, o; H$ R! R( ?! J$ }
if setup.reverbTime == 0,
( Y. Q8 \2 g. k, x7 ]2 |    setup.reverbTime = 0.2;
2 o$ c; Q  X' b, X    reflectionOrder = 0;
else
    reflectionOrder = -1;
/ O2 K! Q' P7 w) p5 @  p: send
1 w* N: V: L% Y7 j/ @' F6 K
rirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
4 M/ E' Q/ T2 U* ^, e8 @    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);

for iSens = 1:setup.nSensors,
, v3 M2 k' p. f! v* ~9 k    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
end
mcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);

# J2 c- w) `1 K( T8 a& GmcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);
' B6 P* s; ], B8 W2 Q! J
  }6 f7 _/ r4 x3 M( N+ s) g' v%-------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
mic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
7 D8 F: g1 I' j2 pmic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
, L% `% @* d+ z' Dmic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
6 e( w, a+ `# j$ p# m% gaudiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
8 `& B$ ]+ h* n- q& `$ u$ H0 }. Naudiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
+ m! n" C" ^( u) ^- H+ W# zaudiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);

' U/ V/ u, j) j; a! T* E3 P6 o%----------------------------------end--------------------------------------------------
3 a# r6 p* \7 B% P7 t
addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);

cleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);


mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
1 c, Y: ^9 ~4 z; |diffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
diffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
mcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
+ b& I' T6 l. N' ~( \" ]2 ~0 \    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));
9 B% ?! a* W' w  o) |- S( j: D5 x
% N$ W/ N8 A( G0 {mcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
7 K8 s( i% W& y1 _* S  W1 z' y& FsensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
) \. ~# I8 d' y; }0 jsensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
. G# C  s. }! u* i4 J' BmcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));
( `3 ?) o2 d' E
mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
mcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

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




: {9 N  m8 w; o6 f6 v' ]%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------

0 Y1 u  z% ^6 J3 @' u! u8 l" \' Tnoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
7 |) x8 P% N5 |5 ^! C4 Knoisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
: y6 }( w# `6 ~4 Q) F$ enoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
l1=size(noisy_mix1);
* O5 `& ?( o/ C; U& A4 o  G9 g) Dl2=size(noisy_mix2);
l3=size(noisy_mix3);
& |' Q/ o2 Q9 ], z/ Cl4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
! ]' {% P8 i) A; U! X& R8 ]0 vaudiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
% R5 @; w* U! h8 H( d. Daudiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);

& a' j5 E0 z  f
%-----------------------------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') 。
0 k! O% X( o- G6 l3 L& d" C) @$ Z' u% m直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。

  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）。
9 R7 ?1 o* t& f$ ]
8 J; Q/ V: P) v3 Q9 y, F7 ], v
2 Z) h% r& |; I; g* Z2 G0 U
图1 麦克风类型图
2 s+ c* G8 B* y6 [3 @& F$ s
0 Q* @# m. ]2 R% N图二 房间的坐标系
+ ]) k( S, T" K+ z$ q6 y& j5 t
: E; g) B. N" h3 p  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。
6 t- P! v* D' `7 H1 G! V  y————————————————
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- `' {* i/ i, J5 j2 t6 y原文链接：https://blog.csdn.net/zhanglu_wind/article/details/79674998

! _8 ^6 a5 K1 h  J
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