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。
- t- T6 ^+ \  D
  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。
  o: u8 |' l8 X, q# `
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)
9 y- U4 u% g2 B5 x/ p$ T

  B8 a4 w2 G3 `9 ^. r%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
* H* y9 W0 c+ L/ [# g%
%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
0 |; E" ?- {7 i! Q# y' r" l6 D% v" l. f%         
' o" |5 r8 G1 {1 Q( R( H%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
. o. O% Q" K( i- E%        setup.hpFilterFlag  : use 'false' to disable high-pass filter, the high-%pass filter is enabled by default
+ j, ]! ^# d9 D! M%        setup.reflectionOrder : reflection order, default is -1, i.e. maximum order.
%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
1 o/ l0 j: p. i' D%           
%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
7 A; Z! W! [& k) N" P%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
2 Y* r; ]7 D+ J  W; l%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
+ |3 r2 B1 e$ Z: p& x. J  D. k1 Z1 T/ C%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
/ {9 }' m" m: P%
%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
6 ~, m1 f: H; y3 l( |5 y%        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 V) C# n% n; P& a8 |%
%        setup.roomDim : 1 x 3 array specifying the (x,y,z) coordinates of the room (m).           
; p8 m9 Y" Q6 b%        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).
. e2 Y7 K" R! C) @%
/ w3 l$ ]  X% T1 ]%        srcHeight : The height of target audio source
%        arrayHeight : The height of mic array
%
! L+ I* o, M( ]& T( L! ]* k3 s%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
0 g) e5 j+ F  l$ t( J3 x* D%
! v; x7 u7 r4 V' N, W%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
%
%                       
%
! p# i0 z0 X1 ^0 x; s) [%
%         
. C& f  o+ D' i4 Q5 t: ^# |%
%  How To Use : JUST RUN
5 y8 R; y8 V* s: e2 S8 M4 [%
8 C7 _- X0 E  L7 ^" ~$ ^- F%  
5 x" [& p: L. U$ O; a* d4 E* Y%   
% 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
3 n$ a/ ^, ?0 u; y; `1 m%
% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
%-------------------------------------------------------------------------


# o5 Y1 T7 l! y7 Z4 R& n
$ q6 @3 t* _8 \7 `addpath([cd,'\..\rirGen\']);

* T$ S2 _" \/ d" p: H%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------

: ?6 _* U0 O2 Lsetup.nRirLength = 2048;
/ X+ I5 ^3 U3 N$ r4 x9 j; T- ?setup.hpFilterFlag = 1;
setup.reflectionOrder = -1;
setup.micType = 'omnidirectional';
% ^6 o! f% X% H2 Usetup.nSensors = 4;
setup.sensorDistance = 0.05;
setup.reverbTime = 0.1;
7 }; o% V3 G3 i8 K( Tsetup.speedOfSound = 340;
' B0 `/ J% Q1 v2 G5 b% i
/ D1 S  d' R" L+ Lsetup.noiseField = 'spherical';
+ _8 r& y& e* N! l8 ~& ?setup.sdnr = 20;
% e% R: K1 w) G$ p, W4 Isetup.ssnr = 25;

$ b/ |/ l- b7 p0 a0 [8 {5 j3 xsetup.roomDim = [3;4;3];

$ T; Z, U5 [( N, Q* `srcHeight = 1;
arrayHeight = 1;

4 d- S! a$ w$ k% B1 U8 Y- ]arrayCenter = [setup.roomDim(1:2)/2;1];

' o% d; j  |- oarrayToSrcDistInt = [1,1];
; V) Z7 n! U: N+ v0 Q3 V
! V; E+ w7 n/ R/ p& Y8 Hsetup.srcPoint = [1.5;1;1];

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

! O9 J  z3 F; l; r& ]% [5 v
[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');
0 w+ G& q: a4 Q" R) Z
- s( `5 S$ Z- j, C) |' W( z%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------

+ h; V1 A) }" Y9 q  W% O( r) O
# @7 d. U& Q% c- Q  C. }
: e0 _5 M) A, `8 W& S+ Y" \%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------

7 z% q& R9 c- ]8 ^. Z# B+ P5 X, tif setup.reverbTime == 0,
    setup.reverbTime = 0.2;
! D* w3 w' k6 r  c- A! a    reflectionOrder = 0;
+ E1 Z% J6 K% {2 {* B0 }  b! \else
* l. w, g3 \- c6 e+ J, \' Z+ i$ _    reflectionOrder = -1;
5 r- v" G, ]1 @8 C4 D/ a- b$ Rend
# C7 [- G! j0 j/ |7 j3 r, _6 k) @
8 \& S" q$ Y4 i" u* M8 K8 HrirMatrix = rir_generator(setup.speedOfSound,setup.sampFreq,setup.micPoints',setup.srcPoint',setup.roomDim',...
2 c; B2 L2 v$ p0 W' y) ?. i& D    setup.reverbTime,setup.nRirLength,setup.micType,setup.reflectionOrder,[],[],setup.hpFilterFlag);
% o  j( I; u4 ^, x% O$ A9 ?
for iSens = 1:setup.nSensors,
8 j' @, Q7 K6 M7 M6 [' ~    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
% U' d. D" V) @0 U! ^. xend
2 O: U1 F( Q. c' D4 nmcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
0 r" t# _" o  Y" f/ R1 s0 q# csetup.nSamples = length(mcSignals.clean);
% j: j2 g* h. _) v
mcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);

  u$ A. U# Y, F8 j9 K%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------
+ D" l* |9 _% N6 ]) g, W9 u! G
mic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
0 y  C+ K$ o2 D( Dmic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
; I2 i  l% r0 R$ Q& Q' v1 imic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
mic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
audiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
; Y6 C" y: _, iaudiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
0 ^# ^8 O' J0 Z+ ?7 s9 E. aaudiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);

9 W: P3 ]& B/ d/ P%----------------------------------end--------------------------------------------------
* x, U% [! J( Q
addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);

cleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);
, N8 U6 E& V' A) d) r. x  p5 H7 z& Y
+ x( t  K. W( r' P7 [
$ Q' e7 v, m2 o: ?5 HmcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
# ^: v6 O; E% ~8 |$ v- u. \    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
- m, b7 ?$ c5 n; g" C7 i5 tdiffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
diffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
mcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));
" v& w- N2 @% b) U
mcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
sensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
. Y5 y( I$ J# \! B9 `5 ~mcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));
8 }8 i" |, D/ [( g2 g1 J" c. Y
mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
* D/ i; r/ H$ z) l: G; U  @mcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

2 S! v+ _) Y- Q8 M0 Z1 s%------------------------------processing end-----------------------------------------------------------

0 W/ L5 p2 F) A

0 ^7 }! C) i' [
; O# I& w! ]$ D( C) a( u, P0 T, u%----------------produce the noisy speech of MIc in the specific ervironment sets------------------------

noisy_mix1=10*mcSignals.observed(:,1); %Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
5 J' ~! R. m0 r# M3 K% H' r" V% T- Tnoisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
# K0 I8 j9 h' H+ M0 Anoisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
5 p+ [5 e  e: t3 l! ?- Inoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
l1=size(noisy_mix1);
' J/ h$ r/ T9 M2 z7 `8 Ql2=size(noisy_mix2);
% N: S* G, m7 {( O0 u5 wl3=size(noisy_mix3);
; G* C: A: ?: @) ml4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
1 n. m! ?9 i4 P; v6 c! k" Naudiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
+ k; y0 J0 d, `audiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);
. ~( J# o/ t: d
1 N  H( w& G3 q) c& L
%-----------------------------end-------------------------------------------------------------------------
  G# u2 k2 B) x) }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') 。
$ v4 ~5 o# L7 O  Q( g! N, A直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。
$ n, E7 N5 H% X
  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）。

  r' X7 j: X; m

8 ]- S$ w( U/ N, D图1 麦克风类型图

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。
  @! X5 Y$ B0 U+ j" }& u: h————————————————
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1 V) {/ q# d9 U* B# w- ?7 q2 ]* S. H
: G9 X8 k4 Z  O- \# s
; |) X- r: s0 W1 P6 T4 q& R. G