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。
; h6 i1 D- |: D/ G! ^. B
  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。
6 U4 R) w& W, ~+ K8 C( C8 c
2. 代码介绍
# t9 k' C" b9 u! r# R2 p7 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)


) f0 N4 o. F) V& I%-----------------------------------------------------------------------
* n" l; u( x, Z: c4 D%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
1 h9 r$ V- V* e4 e: C( Q6 q! O. z%
" q& T, t  q/ D+ m0 v%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
%        setup.hpFilterFlag  : use 'false' to disable high-pass filter, the high-%pass filter is enabled by default
" N- L- R  J- _1 J& p%        setup.reflectionOrder : reflection order, default is -1, i.e. maximum order.
%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
%           
+ G5 B; F( H) Z- c1 [%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
% z5 \' S( `1 C+ v' K, a% G%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
%
%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
8 p/ ]% |8 Q' u, ^%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
! G9 T! l: ^# ~1 Y! x  p9 r0 ~%        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).
%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
%
' |8 [' \% I' b%        srcHeight : The height of target audio source
* ]& S3 b5 e' P" K: \, ]%        arrayHeight : The height of mic array
& K& s- J1 G: |' E; }2 @. |4 b( [) O%
: C/ G$ r+ v, u%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
. M7 x3 b7 v: o' {3 F# m%
%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
+ f. p: b7 i0 |# f$ I5 j%
  Y2 Y  P* n& d8 ~%                       
) D6 k3 o( T9 E- o1 \. R, {%
8 m: @3 g' E. J4 ]4 y  _! ~; _%
%         
) |, @$ T) D$ |+ o% H1 i) W%
%  How To Use : JUST RUN
%
%  
+ N0 p2 G! _; W% v1 z; G%   
% 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
%
% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
9 t& m+ F9 z2 z. ~8 s9 s0 q%-------------------------------------------------------------------------
4 q, C" x+ T& S  i

/ Z. T  M# d0 X& A3 A
% K. [' D' j2 F% g# J8 ^addpath([cd,'\..\rirGen\']);

9 N$ g/ P1 I7 ~$ a  a1 S' o6 ^%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------
" V; G& v* U) [% C& q' `
7 X3 \. p( A- W) x7 |setup.nRirLength = 2048;
4 Q* Q' B! ]' E! R, ssetup.hpFilterFlag = 1;
3 b/ U0 @( K9 ]6 Xsetup.reflectionOrder = -1;
- g. X/ n+ Y# ~setup.micType = 'omnidirectional';
% B; [& t; t* B& c. Lsetup.nSensors = 4;
( q- |( x6 ]0 ^# jsetup.sensorDistance = 0.05;
8 {: S; l/ u" rsetup.reverbTime = 0.1;
setup.speedOfSound = 340;

7 D6 n* c! ]1 H4 `9 j# wsetup.noiseField = 'spherical';
) A% [1 y# K& l) P! L* j+ o  Ysetup.sdnr = 20;
5 ]; ?' Q" f: C, d* J" ~setup.ssnr = 25;
, N1 r1 I, D2 S5 _9 [. ^- m
% D) b, ?/ Z7 ~) o; H% e9 S# f- Tsetup.roomDim = [3;4;3];
% v* s8 [1 o) l) Y- H0 |& u/ C
0 \) M$ _: R1 R2 P! j- m  DsrcHeight = 1;
arrayHeight = 1;

$ |0 I5 D+ \. V0 s% g+ P* AarrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];
# q4 Y  [  e9 g
arrayToSrcDistInt = [1,1];

setup.srcPoint = [1.5;1;1];

setup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);

6 v" Y. H; H# u; S7 _( D+ M. ~% l
3 `& _1 _, f4 `* n, A[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
; P7 \) u+ c( R) a0 V8 {3 }
%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------

% O1 f  V* X* @! ^( f! T9 O

%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
- M: s2 L1 `! H. r' M8 u
: s0 E* h$ P1 s; Aif setup.reverbTime == 0,
% ~& k9 l4 w7 Z0 d! A    setup.reverbTime = 0.2;
    reflectionOrder = 0;
$ y( ?% I8 w- A! G1 Kelse
: D0 t! c4 M' v* p    reflectionOrder = -1;
, F( g7 C7 G/ z7 ~( s& S' Jend

rirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);
7 ^1 |4 @8 I, F/ G( ?! C
3 @+ i0 \% z' u* B9 X) Gfor iSens = 1:setup.nSensors,
    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
! z+ D( |3 F( bend
# `" W; k2 K- U5 dmcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);
. I2 p' f/ r0 Q- K
mcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);
* ]  X3 P( r* w7 B
& c( ~) a8 @' E) b1 I& T* Q0 _# R%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------
  y6 V( r! }; e. O
: ^% L) ~8 g' g( omic_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);
1 `7 k* V0 r2 p" ^( qmic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
audiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
' z7 [  b2 j, x4 }! Oaudiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);

" g6 B2 p- I* r' t, ]! U%----------------------------------end--------------------------------------------------
6 d  ~( k  t  N
addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);
, {6 @& e- ~; n" ~  J% K% S
cleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);
  D+ }( |2 G6 A

mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
3 [8 y% _1 X6 q5 j    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
& R1 w8 c9 Q2 J4 ldiffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
+ E9 t/ m9 Q+ W3 ?0 @$ hdiffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
6 ^1 N# L  c0 V5 n2 bmcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
& l$ ?  v3 u6 D1 I) \) G, |    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));
+ S- m/ J& l. @$ i7 `- L
3 [7 Q" z/ u1 o2 T- T* amcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
: x" l/ S# c5 isensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
+ H( N; a  B) o# m& [$ `sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
mcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
! M0 g. J( ~& K9 c3 C; z8 J    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));
* a9 T5 @" ~$ U
' V7 s  t9 E/ D7 w8 g( q7 BmcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
+ n5 _, E7 J; b* I; o- JmcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

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



0 S" {5 m& ~. Z" S" c9 Q. T. d
3 ]; z' t. M3 H, m% q; C* Y%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------

4 ~9 T0 z* s: Gnoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
* _/ z2 C! D, \: Tnoisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
noisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
noisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
% Y3 }1 y  q% e, l5 Y8 `2 Rl1=size(noisy_mix1);
. v) Y% e$ ^" \- U, Y, b9 H. hl2=size(noisy_mix2);
- q  T& T& r- R9 ]l3=size(noisy_mix3);
l4=size(noisy_mix4);
5 q6 W/ d9 |2 ~/ N- }audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
audiowrite('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);


: \7 Q3 I) Q6 Y%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
- G) w; O( }7 C3 c2 X9 O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 k4 B9 _. v4 A! i8 J0 ?6 Z& m# C& v  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）。

7 ~4 y7 d! W, W3 I& e
1 ^6 n/ N" ~+ g. A) C
图1 麦克风类型图

图二 房间的坐标系
* U& @9 ^& \$ w/ E! W% g9 C
  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。
7 y& x0 e% v# w) k————————————————
# `1 }1 h) b, D* v, d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。
  ~+ M! x5 J- h0 V  _+ ^0 B/ C3 F原文链接：https://blog.csdn.net/zhanglu_wind/article/details/79674998

( K5 Q4 d. ?$ u# z; ?+ x6 B
; W9 K' `1 _) a* A4 W' O7 X