麦克风阵列仿真环境的搭建

杨利霞

麦克风阵列仿真环境的搭建

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。

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：

function [mcSignals,setup] =multichannelSignalGenerator(setup)

%-----------------------------------------------------------------------

% Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.

%

% 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

%      setup.reflectionOrder: reflection order, default is -1, i.e. maximum order.

%      setup.micType: [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional],default is omnidirectional.

%         

%      setup.nSensors: The numbers of the Mic

%      setup.sensorDistance: The distance between the adjacent Mics (m)

%      setup.reverbTime: The reverberation time of room

%      setup.speedOfSound: sound velocity (m/s)

%

%      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).

%      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

%      arrayHeight: The height of mic array

%

%      arrayCenter: The Center Postion of mic array

%

%      arrayToSrcDistInt:The distance between the array and audio source on the xy axis

%

%                        

%

%

%        

%

% How To Use : JUST RUN

%

%  

%   

% Code From: Audio analysis Lab of AalborgUniversity (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 SoftwareFoundation, Inc.

%-------------------------------------------------------------------------

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

%-----------------------------------------------initialparameters-----------------------------------

setup.nRirLength = 2048;

setup.hpFilterFlag = 1;

setup.reflectionOrder = -1;

setup.micType = 'omnidirectional';

setup.nSensors = 4;

setup.sensorDistance = 0.05;

setup.reverbTime = 0.1;

setup.speedOfSound = 340;

setup.noiseField = 'spherical';

setup.sdnr = 20;

setup.ssnr = 25;

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

srcHeight = 1;

arrayHeight = 1;

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

arrayToSrcDistInt = [1,1];

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

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

[cleanSignal,setup.sampFreq] =audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');

%---------------------------------------------------initialend----------------------------------------

%-------------------------------algorithmprocessing--------------------------------------------------

if setup.reverbTime == 0,

   setup.reverbTime = 0.2;

   reflectionOrder = 0;

else

   reflectionOrder = -1;

end

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,

   tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);

end

mcSignals.clean =tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;

setup.nSamples = length(mcSignals.clean);

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

%-------produce the microphone recievedclean signals---------------------------------------------

mic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1);%Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recievedby Mics with tenfold

mic_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);

audiowrite('mic_clean3.wav',mic_clean3,setup.sampFreq);

audiowrite('mic_clean4.wav',mic_clean4,setup.sampFreq);

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

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

cleanSignalPowerMeas =var(mcSignals.clean);

mcSignals.diffNoise =generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...

   setup.speedOfSound,setup.noiseField);

diffNoisePowerMeas =var(mcSignals.diffNoise);

diffNoisePowerTrue =cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);

mcSignals.diffNoise =mcSignals.diffNoise*...

   diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));

mcSignals.sensNoise =randn(setup.nSamples,setup.nSensors);

sensNoisePowerMeas =var(mcSignals.sensNoise);

sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);

mcSignals.sensNoise =mcSignals.sensNoise*...

   diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise +mcSignals.sensNoise;

mcSignals.observed = mcSignals.clean +mcSignals.noise;

%------------------------------processingend-----------------------------------------------------------

%----------------produce the noisy speechof 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);

noisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);

noisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);

l1=size(noisy_mix1);

l2=size(noisy_mix2);

l3=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);

audiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav',noisy_mix3,setup.sampFreq);

audiowrite('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') 。

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）。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif

图1 麦克风类型图

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif

图二房间的坐标系

  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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原文链接：https://blog.csdn.net/zhanglu_wind/article/details/79674998