麦克风阵列仿真环境的搭建

浅夏110

1. 引言
# v( a$ ~+ A  @! \6 c  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)
- M# ^8 S6 v! k& O. {
! X" b% n+ }6 e- t& ?
) \: l( E% C& V%-----------------------------------------------------------------------
%  Producing the multi_noisy_signals for Mic array Beamforming.
%
%  Usage:  multichannelSignalGenerator(setup)
: F) H: a" U+ a' c) g  q! z%         
) L  j; H- x1 B/ j- m- Z9 d. ?" }) n" S) k%        setup.nRirLength : The length of Room Impulse Response Filter
, s' Y' I5 V  |" X2 T; S; I%        setup.hpFilterFlag  : use 'false' to disable high-pass filter, the high-%pass filter is enabled by default
! G; h  L# J. O' v3 d9 U%        setup.reflectionOrder : reflection order, default is -1, i.e. maximum order.
* c3 J, z3 \+ g%        setup.micType : [omnidirectional, subcardioid, cardioid, hypercardioid, bidirectional], default is omnidirectional.
9 W7 b' y& k  ?! c; L: d: A) o%           
%        setup.nSensors : The numbers of the Mic
% l* E* S3 t4 f  @! o%        setup.sensorDistance : The distance between the adjacent Mics (m)
) ~5 S$ e6 D; N# c  k1 [%        setup.reverbTime : The reverberation time of room
& ?+ _, Z/ d% y0 u" |1 I%        setup.speedOfSound : sound velocity (m/s)
. l. k% j# s: L- n%
# k: N4 z' ~3 k: _  d%        setup.noiseField : Two kinds of Typical noise field, 'spherical' and 'cylindrical'
%        setup.sdnr : The target mixing snr for diffuse noise and clean siganl.
! Y* z$ W( ]/ A4 Z%        setup.ssnr : The approxiated mixing snr for sensor noise and clean siganl.
+ p2 C2 P7 G; |  D$ G( B+ m; t' j%
%        setup.roomDim : 1 x 3 array specifying the (x,y,z) coordinates of the room (m).           
' L' k) x2 q" A" e8 g%        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).
4 X1 u. y: |& ]4 T4 V4 ]5 ?%
4 x4 A( t( m9 r4 V3 C2 k%        srcHeight : The height of target audio source
%        arrayHeight : The height of mic array
+ m. T+ R2 H* f) m. K2 p3 M  _, C' S%
%        arrayCenter : The Center Postion of mic array
: @" y. C$ ]& {+ g8 \; m%
%        arrayToSrcDistInt :The distance between the array and audio source on the xy axis
  M( U9 x- e) f, d" F5 e%
%                       
# d& `/ {9 @! l$ `. `%
%
%         
" `- I- a: h& G9 |- d4 f/ x+ g%
% s: l8 ]! F* w- l& Q5 ^) G7 E%  How To Use : JUST RUN
: w" R4 ?- t4 M2 f# D; `$ a%
8 W, v1 v- E$ ?2 Q  s%  
%   
% 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
! f1 U% u) X4 M! q1 `%
% Copyright (C) 1989, 1991 Free Software Foundation, Inc.
; ]; P- B' d1 C7 }% @( i& V. z( N%-------------------------------------------------------------------------

7 \+ D# _4 |# W1 R& ~

addpath([cd,'\..\rirGen\']);
+ f( W9 L# P" L0 Y
0 o. j' w) ?1 \( b%-----------------------------------------------initial parameters-----------------------------------

+ S6 k, F1 q# Q" J. Asetup.nRirLength = 2048;
8 L, T- d$ D1 S% V. x! q" E$ Wsetup.hpFilterFlag = 1;
+ a% ~: i  J5 Bsetup.reflectionOrder = -1;
. i& t+ q& t3 x* I: S0 h7 H4 {setup.micType = 'omnidirectional';
setup.nSensors = 4;
9 R% r6 o1 x7 |4 @setup.sensorDistance = 0.05;
setup.reverbTime = 0.1;
: f/ H# X% G/ G: i* J) V6 psetup.speedOfSound = 340;
4 f6 O) W: t5 S& @
6 z) x9 B( W: ?+ D% dsetup.noiseField = 'spherical';
$ W6 h- o1 ~1 D" Q4 C6 Psetup.sdnr = 20;
setup.ssnr = 25;

# H8 g5 m7 O) @$ Lsetup.roomDim = [3;4;3];
$ |+ u- `/ D1 l% u. l
9 L( k7 f, C+ Q0 [! l1 ^' esrcHeight = 1;
0 i/ |9 {4 h; v+ Q9 {! varrayHeight = 1;

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

9 e/ `+ }+ z4 |( VarrayToSrcDistInt = [1,1];

: [3 z$ A% [) G! K, z- g7 lsetup.srcPoint = [1.5;1;1];

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


+ E' {  i/ ]' h& j2 D/ O; j: i[cleanSignal,setup.sampFreq] = audioread('..\data\twoMaleTwoFemale20Seconds.wav');

& v) `2 H0 r2 ~%---------------------------------------------------initial end----------------------------------------
5 u% ~( z+ V, v' {& K


* V, _$ W5 d# f, H%-------------------------------algorithm processing--------------------------------------------------
' O- k+ |5 g* w; f* O
: \. o4 w# A* xif setup.reverbTime == 0,
    setup.reverbTime = 0.2;
" U( i5 |* e. W1 w/ ]& K    reflectionOrder = 0;
else
$ X: J7 b: N5 u4 k! G1 H0 r  j    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);
4 x. ]7 b8 ?8 i. W# Y+ C. m; L
for iSens = 1:setup.nSensors,
; @2 L) H; ~* P0 L, \1 [3 o    tmpCleanSignal(:,iSens) = fftfilt(rirMatrix(iSens,',cleanSignal);
end
1 s+ q8 x; ], w  L5 ZmcSignals.clean = tmpCleanSignal(setup.nRirLength:end,;
9 A- v& j# m' \1 O1 Qsetup.nSamples = length(mcSignals.clean);

" |; v* p/ H- F: ]4 ~! d4 EmcSignals.clean = mcSignals.clean - ones(setup.nSamples,1)*mean(mcSignals.clean);
% Y7 Q3 F6 M2 n+ `
%-------produce the microphone recieved clean signals---------------------------------------------
) Z1 Q4 V7 l% B4 B& s
mic_clean1=10*mcSignals.clean(:,1); %Because of the attenuation of the recievd signals,Amplify the signals recieved by Mics with tenfold
  M- j* Y, b, u0 s" |: _1 i; }5 E" @mic_clean2=10*mcSignals.clean(:,2);
mic_clean3=10*mcSignals.clean(:,3);
mic_clean4=10*mcSignals.clean(:,4);
( ?! j5 z# V) B1 Uaudiowrite('mic_clean1.wav' ,mic_clean1,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean2.wav' ,mic_clean2,setup.sampFreq);
audiowrite('mic_clean3.wav' ,mic_clean3,setup.sampFreq);
8 q! Z) }4 ~# ^3 Q# J0 E5 maudiowrite('mic_clean4.wav' ,mic_clean4,setup.sampFreq);
# H/ j2 i5 m" D
( {6 s( l0 F7 f" w5 E0 \3 a- C' \, }. ~%----------------------------------end--------------------------------------------------

addpath([cd,'\..\nonstationaryMultichanNoiseGenerator\']);
) U" N/ @' U0 p6 g( s( S
; u4 m) O8 `: v8 Y8 pcleanSignalPowerMeas = var(mcSignals.clean);

: Y7 \5 r, p7 f: A
mcSignals.diffNoise = generateMultichanBabbleNoise(setup.nSamples,setup.nSensors,setup.sensorDistance,...
    setup.speedOfSound,setup.noiseField);
' }5 y* M1 H3 g( Q- Q2 qdiffNoisePowerMeas = var(mcSignals.diffNoise);
diffNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.sdnr/10);
6 v) ]) L6 {; b. ymcSignals.diffNoise = mcSignals.diffNoise*...
! Y; Y+ v0 X- Q/ o6 N    diag(sqrt(diffNoisePowerTrue)./sqrt(diffNoisePowerMeas));
7 l% |. V1 c( w) b. M& `
3 x! Z- t- X  L" ymcSignals.sensNoise = randn(setup.nSamples,setup.nSensors);
sensNoisePowerMeas = var(mcSignals.sensNoise);
, E" o/ b* u4 @sensNoisePowerTrue = cleanSignalPowerMeas/10^(setup.ssnr/10);
5 J6 J7 }( O& pmcSignals.sensNoise = mcSignals.sensNoise*...
) C+ ^; {$ N& s2 y- Y    diag(sqrt(sensNoisePowerTrue)./sqrt(sensNoisePowerMeas));

mcSignals.noise = mcSignals.diffNoise + mcSignals.sensNoise;
; |( `2 n& i0 o- H- rmcSignals.observed = mcSignals.clean + mcSignals.noise;

8 P% Y" V- Y& c, m4 x%------------------------------processing end-----------------------------------------------------------

. W# o- L7 V8 v6 f" Q
* _* E; L6 u2 c6 U
" x$ B/ Z+ ?: \- g1 {9 X4 a
* m% X, h( i7 M% f( E2 c%----------------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
noisy_mix2=10*mcSignals.observed(:,2);
noisy_mix3=10*mcSignals.observed(:,3);
/ H5 b6 i" P% y3 U& A4 _4 jnoisy_mix4=10*mcSignals.observed(:,4);
l1=size(noisy_mix1);
7 U, I: f* a6 M4 N3 J0 H% Il2=size(noisy_mix2);
+ c3 X& X. l8 }l3=size(noisy_mix3);
; @8 Q9 M9 @% rl4=size(noisy_mix4);
audiowrite('diffused_babble_noise1_20dB.wav' ,noisy_mix1,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise2_20dB.wav' ,noisy_mix2,setup.sampFreq);
6 f' N8 |% o/ {# @8 I5 iaudiowrite('diffused_babble_noise3_20dB.wav' ,noisy_mix3,setup.sampFreq);
audiowrite('diffused_babble_noise4_20dB.wav' ,noisy_mix4,setup.sampFreq);
# u; y+ Z7 V% R% _5 N& p

( p6 y8 v% Q% k) R) J9 L/ s8 m" B! k/ i%-----------------------------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') 。
% x# ^$ {; S/ }直接把它们替换成你想要处理的音频文件即可。

2 l0 I2 \( C0 }1 y  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）。
* z, u3 H- ?& ?

* q9 ^5 \% Y$ @" i% l( {( Q
2 }4 @# m9 o0 f1 _, |, H# I图1 麦克风类型图
8 k% f3 T& o. h( m- _
. y- l: m( q7 A) c' l图二 房间的坐标系
4 Y& \4 L2 ?. H( B
  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。
* C8 g0 b  F$ D3 ^6 G" H% ]————————————————
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% o, \; y- u3 A, u! P0 D