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。

  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。
  n4 P  |* C) Q) C! K5 G7 `2 F
% l8 R! P: m6 K$ C  R2. 代码介绍
$ l; r% H- c( s, u4 ]2 o0 o9 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：
2 h$ B3 w+ L9 R) I, F' e( m! H2 R0 afunction [mcSignals,setup] = multichannelSignalGenerator(setup)

$ B, F% D& ]; \5 [/ |9 h3 h
( z  L4 |6 s. t%-----------------------------------------------------------------------
, I% `+ V3 A$ m9 E* a5 w; L%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
%
2 ?9 s; t* Y! T* I%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
%         
1 {% ]% r; Y  r. s%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
# S5 L, _# W# r, F%        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.
%           
& q1 i/ l0 X: v! @6 C%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
4 G5 e- u" V5 P4 z%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
/ g$ t& ~8 C( L3 _2 f2 c%
%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
3 ~1 s& U" ]/ q%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
%        setup.ssnr : The approxiated mixing snr for sensor noise and clean siganl.
2 b7 e; h8 Q% p0 u0 k( w* _%
4 b& n. S) N  a% a5 G%        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).
3 V  f9 i! {6 t0 j$ o" Q%        setup.srcPoint  : 3 x M array, the rows specifying the (x,y,z) coordinates of the  audio source postion (m).
%
! B( y: D3 q! p) N, U2 I- L1 Y; w%        srcHeight : The height of target audio source
%        arrayHeight : The height of mic array
%
) ?* t( v: K& y% a9 |: j%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
/ v3 i6 h+ `  O8 W%
1 e% U9 o8 ~6 Q) o%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
%
%                       
%
% F* X; @3 v8 B%
( F8 {2 s' Z/ ]6 _% o: ]%         
%
5 R: k/ h3 Q4 p0 U%  How To Use : JUST RUN
%
%  
, E- D- ]9 q9 t4 w7 }, v%   
8 d0 |( H  a+ v! L+ |. F% Code From: Audio analysis Lab of Aalborg University (Website: https://audio.create.aau.dk/),
4 m2 O/ v5 V, y5 Z6 I- y3 L" e" [%            slightly modified by Wind at Harbin Institute  of Technology, Shenzhen, in 2018.3.24
1 Y, h$ n  P+ o# r- k%
% P1 @1 j, j( |* t* \% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
%-------------------------------------------------------------------------

0 {+ J! W3 k, }. w* C

  ]  z; }6 P5 V. x. x# ]. R4 [addpath([cd,'\..\rirGen\']);

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

setup.nRirLength = 2048;
setup.hpFilterFlag = 1;
) X' [$ j: A2 \7 s& E6 hsetup.reflectionOrder = -1;
setup.micType = 'omnidirectional';
setup.nSensors = 4;
0 |6 D+ R* Y8 q) B( vsetup.sensorDistance = 0.05;
! l9 x! q' K& K1 K: xsetup.reverbTime = 0.1;
$ p. J4 H5 B1 H" s/ d9 H- w! Ksetup.speedOfSound = 340;

( e; l9 z5 H8 y1 e9 }+ bsetup.noiseField = 'spherical';
setup.sdnr = 20;
4 L# c+ j- T; g. [4 Z8 S+ U) Jsetup.ssnr = 25;

setup.roomDim = [3;4;3];
3 U5 U" c3 d0 p, N- _5 A: i* ^
2 |' R6 [) l% R: j, Y' m* tsrcHeight = 1;
0 k: k% ^6 K) B) n* p2 _$ parrayHeight = 1;

arrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];
( ~: D9 g" c" J% y7 ?2 U
0 c, S, q6 B* g; {) [& iarrayToSrcDistInt = [1,1];
9 `$ u$ y0 j3 C
setup.srcPoint = [1.5;1;1];
, ~; S3 X' p3 o; N# I
9 Q# T$ [8 ?( Y0 xsetup.micPoints = generateUlaCoords(arrayCenter,setup.nSensors,setup.sensorDistance,0,arrayHeight);
- a0 y6 f8 K! O* }# b4 W  g* F
% @! e- D, Y. @  j* x( S
) o! A& m! H/ p: r- h[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
* \9 J) n! V# F2 V( x$ w, w
2 ?3 o' `! Z  c& N%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------
1 |* p* c4 E( {# w, m


%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
6 ?; r6 ^. ]* n, V7 Z
if setup.reverbTime == 0,
0 e% Z) n/ n5 s    setup.reverbTime = 0.2;
0 E7 k) J* @$ D0 A2 Q1 {    reflectionOrder = 0;
; I. ^) F4 X4 H: O- c9 K8 ~else
    reflectionOrder = -1;
end

% k& _& Q2 }+ H6 Y  XrirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
7 [/ z9 p( q6 F0 T& ]+ @    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);

; p6 X% w3 Q* cfor iSens = 1:setup.nSensors,
! c0 Q+ @" c. [& Y' N2 O    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
+ Y6 G- ]- Q; D& dend
mcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
setup.nSamples = length(mcSignals.clean);

mcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);
  n; k" ^: f% c
2 E5 ]0 |, Q: f1 q%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------
( Q% M' C% X1 _
mic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
; B  O9 [& g( x, V7 omic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
  ?5 X$ M, x; v/ U: D6 rmic_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);
4 R' t& E- P- q+ aaudiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);
( b/ N) o" V$ ~* p/ _7 G/ W
# R$ Z7 g' c$ E4 Y% I# k%----------------------------------end--------------------------------------------------

$ R/ E! f: j: [/ {& H- x! paddpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);

8 w# W4 M  W; N% ecleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);

: V4 ]8 h, o& k5 u2 P3 K* n* `
mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
4 `  i) Z. c2 V* ^% a3 N; r8 ]diffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
+ M# U. `$ R2 f% s  LdiffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
( I+ _' ^+ Q! W/ M- _  lmcSignals.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);
" }, t# J8 ^2 H* k  I, LmcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
. j! I8 {4 s* T( `# r# P& z  G  o2 l    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
% ^* O% V* `3 m( r) amcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

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

( R7 N% \5 D! l, }1 K- }  ~
+ C0 F( ^- @4 {9 a5 c- ~

%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------
7 q+ X5 s3 W: x. u
: o: G! m: n. U) @( Qnoisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
9 M4 `  A( Q# n3 f/ I4 {noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
& k2 O. O5 S# Ynoisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
noisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
l1=size(noisy_mix1);
l2=size(noisy_mix2);
l3=size(noisy_mix3);
( O7 S5 M) M% jl4=size(noisy_mix4);
9 V! N" `6 a: }; Faudiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
8 B& w. ^" Q$ Y+ b6 @6 ~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);


! i/ x) E6 j7 N9 p%-----------------------------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') 。
" R7 [) ^6 W2 ^9 X直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。
4 d# M7 r6 c) g* r1 l
- V+ h$ O7 j6 a# P. Y$ K  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）。
1 r' E/ o7 ]2 }' C
3 \  b7 v0 ?" I' h

) ]; {. p6 {$ V% ?  Y4 S6 P图1 麦克风类型图

: q0 h- r$ J! @图二 房间的坐标系

; J5 }8 Z; t& M4 B# 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。
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, P4 i' y( [: r, ^$ y! m& E
# s: K- g8 k& Y7 F; C- D