Visualisation de données volumiques massives : application aux données sismiques, Visualization of massive data volumes : applications to seismic data

De
Publié par

Sous la direction de Jean-Laurent Mallet
Thèse soutenue le 24 novembre 2006: INPL
Les données de sismique réflexion sont une source d'information essentielle pour la modélisation tridimensionnelle des structures du sous-sol dans l'exploration-production des hydrocarbures. Ce travail vise à fournir des outils de visualisation pour leur interprétation. Les défis à relever sont à la fois d'ordre qualitatif et quantitatif. Il s'agit en effet de considérer (1) la nature particulière des données et la démarche d'interprétation (2) la taille des données. Notre travail s'est donc axé sur ces deux aspects : 1) Du point de vue qualitatif, nous mettons tout d'abord en évidence les principales caractéristiques des données sismiques, ce qui nous permet d'implanter une technique de visualisation volumique adaptée. Nous abordons ensuite l'aspect multimodal de l'interprétation qui consiste à combiner plusieurs sources d'information (sismique et structurale). Selon la nature de ces sources (strictement volumique ou volumique et surfacique), nous proposons deux systèmes de visualisation différents. 2) Du point de vue quantitatif, nous définissons tout d'abord les principales contraintes matérielles intervenant dans l'interprétation, ce qui nous permet d'implanter un système générique de gestion de la mémoire. Initialement destiné au couplage de la visualisation et des calculs sur des données volumiques massives, il est ensuite amélioré et spécialisé pour aboutir à un système dynamique de gestion distribuée de la mémoire sur cluster de PCs. Cette dernière version, dédiée à la visualisation, permet de manipuler des données sismiques à échelle régionale (100-200 Go) en temps réel. Les problématiques sont abordées à la fois dans le contexte scientifique de la visualisation et dans le contexte d'application des géosciences et de l'interprétation sismique
-Interprétation sismique
-Visualisation volumique
-Visualisation multimodale
-Matériel graphique programmable
-Données volumiques massives
-Gestion de la mémoire
-Clusters graphiques
Seismic reflection data are a valuable source of information for the three-dimensional modeling of subsurface structures in the exploration-production of hydrocarbons. This work focuses on the implementation of visualization techniques for their interpretation. We face both qualitative and quantitative challenges. It is indeed necessary to consider (1) the particular nature of seismic data and the interpretation process (2) the size of data. Our work focuses on these two distinct aspects : 1) From the qualitative point of view, we first highlight the main characteristics of seismic data. Based on this analysis, we implement a volume visualization technique adapted to the specificity of the data. We then focus on the multimodal aspect of interpretation which consists in combining several sources of information (seismic and structural). Depending on the nature of these sources (strictly volumes or both volumes and surfaces), we propose two different visualization systems. 2) From the quantitative point of view, we first define the main hardware constraints involved in seismic interpretation. Focused on these constraints, we implement a generic memory management system. Initially able to couple visualization and data processing on massive data volumes, it is then improved and specialised to build a dynamic system for distributed memory management on PC clusters. This later version, dedicated to visualization, allows to manipulate regional scale seismic data (100-200 GB) in real-time. The main aspects of this work are both studied in the scientific context of visualization and in the application context of geosciences and seismic interpretation
-Seismic interpretation
-Volume visualization
-Multimodal visualization
-Programmable graphics hardware
-Massive data volumes
-Memory management
-Graphics clusters
Source: http://www.theses.fr/2006INPL083N/document
Publié le : lundi 24 octobre 2011
Lecture(s) : 127
Nombre de pages : 200
Voir plus Voir moins

Institut National Polytechnique de Lorraine
´ ´Ecole Nationale Sup´erieure de G´eologie Ecole doctorale RP2E
Visualisation de Donn´ees Volumiques
Massives
Applications aux Donn´ees Sismiques
`THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 24 Novembre 2006
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Sp´ecialit´e G´eosciences
par
´Laurent Castanie
Composition du jury
Rapporteurs : Charles D. Hansen
Helmut Schaeben
Examinateur : Georges-Pierre Bonneau
Invit´es : Fabien Bosquet
Xavier Cavin
Directeur : Jean-Laurent Mallet
´Co-Directeur : Bruno Levy
Centre de Recherches P´etrographiques et G´eochimiques
Laboratoire d’Infographie et d’Analyse de Donn´ees
Rue du Doyen Marcel Roubault - 54500 VandœuvreMis en page avec la classe thloria.i
Remerciements
Je tiens en premier lieu a` remercier Jean-Laurent Mallet, mon directeur de th`ese, qui en
infatigable initiateur et animateur du projet Gocad nous permet aujourd’hui d’´etudier et de
travailler dans cet environnement stimulant. Merci ´egalement `a Bruno L´evy qui m’a accord´e sa
confiance il y a trois ans en acceptant de co-diriger ma th`ese malgr´e la charge de travail d´eja`
cons´equente que repr´esentait la cr´eation du projet ALICE `a l’INRIA Lorraine. Il a ´et´e tout au
long de ces trois ann´ees une source intarissable de conseils, notamment pour la r´edaction des
articlesetdum´emoire,etasuchassermesmomentsdedoute.Cetteth`esen’auraitpasvulejour
et ne serait pas ce qu’elle est sans le soutien continu de Fabien Bosquet de la soci´et´e Earth De-
cision (aujourd’hui entit´e de la soci´et´e Paradigm) et son travail remarquable dans l’architecture
de VolumeExplorer. Je lui suis extrˆemement reconnaissant de la touche personnelle qu’il a su
apporter pour valoriser chacune des r´ealisations de mes travaux. Ses multiples conseils ont ´ega-
lement guid´e mes pas dans la soci´et´e, sachant doser les imp´eratifs industriels pour m’impliquer
sans jamais entraver l’avancement de la th`ese. Je remercie aussi `a ce sujet Jean-Claude Dulac,
pr´esident de Earth Decision, qui a d’autre part accept´e de financer ces travaux. Sur l’encadre-
ment de cette th`ese, je tiens ´egalement a` remercier Xavier Cavin qui a accueilli un“g´eologue”
dans son ´equipe et sans qui cette th`ese n’aurait pas de chapitre 6. J’en profite pour souhaiter
une longue vie a` DViz et `a sa collaboration avec Paradigm.
Je suis profond´ement reconnaissant envers Charles D. Hansen, professeur `a l’Universit´e
d’Utah, et Helmut Schaeben, professeur a` l’Universit´e de Freiberg, qui malgr´e leurs nombreuses
obligations ont accept´e de r´ediger un rapport sur cette th`ese et m’ont fait l’honneur de leur
pr´esence. Merci ´egalement `a Georges-Pierre Bonneau, professeur a` l’Universit´e Joseph Fourier
de Grenoble, pour avoir accept´e de faire partie de mon jury.
Au cours de ces trois ann´ees, j’ai eu simultan´ement trois bureaux : l’un chez Earth Decision,
l’autre au LIAD et enfin un dernier a` l’INRIA. Je tiens donc a` remercier ceux qui ont su sortir
leurs griffes pour s’assurer que je dispose d’une place quelque soit le lieu (ils se reconnaˆıtront).
Ceci me conduit tout naturellement a` m’excuser aupr`es des gens du LIAD qui, malgr´e mes
absences prolong´ees, m’ont toujours accord´e un accueil chaleureux. Merci donc aux th´esards,
pr´esentsetpass´es,quej’aipucˆotoyer:Sarah,ManuF.,Laeti,PierreM.,PierreK.,Luc,Tobias,
Marco, Anlor, Bruno, et les plus anciens Fran¸cois, David, Laurent L., Laurent S. et R´emi. Merci
´egalement a` Guillaume qui, avec Francoi¸ s, m’ont mis le pied a` l’´etrier il y a de cela quelques
ann´ees a` l’ENSG et m’ont communiqu´e l’envie de continuer sur cette voie, a` Christian dont les
conseils avis´es n’ont d’´egal que l’humour, `a Sophie partie vers d’autres horizons, a` Pierre J.,
Jean-Jacques et Mme Cugurno pour son soutien logistique.
Pourm’avoiraccueillidansleurbonnehumeurdurantmaderni`ereann´eedeth`ese,jeremercie
les membres de l’´equipe ALICE de l’INRIA Lorraine : Bruno, Blix, Bruninho, Greuh, Nico,
Laurent, Isa avec une pens´ee particuli`ere pour les“DViz guys”, `a savoir Xa, Butch qui a r´ealis´e
un v´eritable travail d’orf`evre sur DViz (y’a pas d’magie!) et pour son aide sur le DHCS, Alm,
Olive et Tibur. Pardonnez encore l’inculture d’un g´eologue et merci d’avoir combl´e nombreuses
de mes lacunes par vos enseignements avis´es sur le mat´eriel.
Je r´eserve un grand merci pour les employ´es de Earth Decision Nancy ou` j’ai pass´e la plus
grande partie de mon temps durant les trois derni`eres ann´ees. Cela aura ´et´e un grand plaisir
d’allertravaillertouslesjoursdanslaconvivialit´e.Enessayantden’oublierpersonne,jeremercie
Fabien, Manu L. pour ses conseils et certaines figures du m´emoire, Jo¨el qui m’a fait vivre ses
courses par procuration durant les longs mois de r´edaction, Louis toujours disponible pourii
d´ebloquer une situation, Thierry, Didier, St´ephane, Olivier M., Olivier G., Matthieu, Etienne
(unepagederemerciements,c’estd´eja`beaucouptropdepapier!),Elsa,Magali,Isabelle,Richard
qui m’a ´et´e d’un grand secours sous Linux, Tof, S´ebastien, Thibault, R´emy, Christophe P.,
Delphine, Arnaud, Sabrina, Bernadette, Elahe, C´edric, Damien et Anne-Sophie. Je remercie
´egalement Isa et Alice de Paris pour leur sympathie, ainsi que Stan de Houston pour m’avoir
guid´e dans mes choix et Susan sans qui l’article de First Break n’aurait pas ´et´e soumis.
Je finirai cette longue liste de remerciements par ceux sans qui je n’aurais jamais accompli
ce travail : mes parents qui, depuis le d´ebut, m’ont toujours soutenu dans mes choix et ont su
constamment trouver les mots qu’il fallait pour otˆ er mes doutes, mon fr`ere dont l’attention et
le soutien d´epassent les mots, et enfin Christelle qui a su supporter mes humeurs, la distance et
les longs mois de r´edaction. Elle m’a soutenu tout au long de ces trois ann´ees jusqu’a` affronter
la relecture compl`ete du manuscrit. Pour tout cela, je lui dis un grand merci.iii
`A Christelle,
`a mes parents,
`a mon grand-p`ere.ivTable des mati`eres
Introduction g´en´erale 1
Partie I Contexte de l’´etude
1 Contexte applicatif : les donn´ees sismiques et leur interpr´etation 7
1.1 De la propagation des ondes acoustiques `a l’image sismique . . . . . . . . . . 7
1.1.1 Th´eorie de la propagation des ondes acoustiques en milieu ´elastique . 7
1.1.2 Acquisition de l’amplitude sismique : la sismique r´eflexion. . . . . . . 10
1.1.3 Traitement du cube sismique : construction de l’image sismique . . . 11
1.2 L’interpr´etation sismique dans la chaˆıne d’exploration-production . . . . . . 12
1.2.1 La chaˆıne de mod´elisation en exploration-production . . . . . . . . . 12
1.2.2 Les diff´erentes formes d’analyse de l’image sismique . . . . . . . . . . 14
1.2.3 La d´emarche interpr´etative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Visualisation des donn´ees sismiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Contexte scientifique : les donn´ees volumiques et leur visualisation 21
2.1 Les donn´ees volumiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Les techniques de visualisation volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 M´ethodes indirectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 M´ethodes directes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
vvi Table des mati`eres
2.3 Visualisation volumique et acc´el´eration mat´erielle . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Mat´eriel graphique standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2 Visualisation volumique a` base de textures . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3 Mat´eriel graphique sp´ecialis´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Visualisation volumique parall`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 Partitionnement et visualisation parall`ele . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 Architectures multiprocesseurs et mod`eles de programmation . . . . . 45
2.4.3 Partitionnement d’objet sur cluster de PCs . . . . . . . . . . . . . . . 46
Partie II La station d’interpr´etation sismique
Introduction `a la station d’interpr´etation sismique 51
3 Visualisation volumique directe du signal sismique 53
3.1 Caract´eristiques du signal sismique et de son interpr´etation . . . . . . . . . . 53
3.1.1 Distribution statistique et distribution spatiale . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 Interpr´etation structurale du signal sismique . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3 Limitations du rendu volumique classique . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Notre m´ethode de rendu volumique adapt´ee aux propri´et´es du signal sismique 60
3.2.1 Mod`ele d’illumination locale en rendu volumique . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Rendu volumique pr´eint´egr´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Pr´eint´egration et illumination locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 Notre implantation du rendu volumique pr´eint´egr´e . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.1 Mise en œuvre sur le mat´eriel graphique standard . . . . . . . . . . . 76
3.3.2 R´esultats pour la visualisation du signal sismique . . . . . . . . . . . 78
3.4 Bilan et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80vii
4 Visualisation sismique multimodale 83
4.1 Interpr´etation sismique multimodale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.1 Information multimodale volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.2 Les horizons sismiques comme source d’information multimodale . . . 85
4.2 Notre syst`eme g´en´erique de visualisation volumique multimodale . . . . . . . 86
4.2.1 Principe de la visualisation volumique multimodale . . . . . . . . . . 86
4.2.2 Mise en œuvre d’une interface multimodale g´en´erique . . . . . . . . . 89
4.2.3 Extension au plaquage d’information sur des surfaces d’isovaleur . . . 92
4.3 Un syst`eme sp´ecialis´e de visualisation multimodale a` base d’horizons sismiques 98
4.3.1 Les horizons sismiques : extraction et repr´esentation . . . . . . . . . . 98
4.3.2 La visualisation de terrains en informatique graphique . . . . . . . . . 101
4.3.3 Mise en œuvre d’une m´ethode de visualisation de grands horizons . . 102
4.3.4 Projection de l’information sismique acc´el´er´ee par la carte graphique 111
4.4 Bilan et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5 M´emoire virtuelle pour la visualisation et les calculs 115
5.1 Contraintes mat´erielles inh´erentes aux donn´ees massives . . . . . . . . . . . . 115
5.1.1 Hi´erarchie de m´emoire et notion de cache . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.2 Synth`ese de la hi´erarchie de m´emoire pour la visualisation et les calculs118
5.2 Visualisation de volumes de grande taille : ´etat de l’art . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 D´ecomposition en briques et sondes volumiques . . . . . . . . . . . . 119
5.2.2 Multir´esolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.3 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3 Un syst`eme de cache hi´erarchique couplant visualisation et calculs . . . . . . 123
5.3.1 Pagination et m´emoire virtuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.2 Hi´erarchie `a deux niveaux d’acc`es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.3 Strat´egie de remplacement de page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.4 Taille de page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4 Ajustements du moteur de rendu volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4.1 Tranchage incr´emental optimis´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
´5.4.2 Elimination des espaces vides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4.3 Rendu progressif interactif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130viii Table des mati`eres
5.5 Cas d’´etude : construction d’un mod`ele structural . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.6 Bilan et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Partie III Le cluster graphique
Introduction au cluster graphique 137
6 M´emoire partag´ee distribu´ee pour la visualisation de donn´ees massives 141
6.1 Visualisation volumique parall`ele et syst`eme de cache local . . . . . . . . . . 141
6.1.1 Visualisation volumique parall`ele de sondes sur cluster de PCs . . . . 142
6.1.2 Limitations d’un syst`eme de cache local . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 M´emoire partag´ee distribu´ee pour la visualisation : ´etat de l’art . . . . . . . 144
6.3 Notre syst`eme de cache hi´erarchique distribu´e pour la visualisation. . . . . . 146
6.3.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.3.2 Conception du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.3.3 Implantation d’un parall´elisme de contrˆole local . . . . . . . . . . . . 151
6.4 Dimensionnement des niveaux de cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.4.1 Cache en m´emoire graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.4.2 Cache en m´emoire centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.5 Exp´erimentation du syst`eme et justification th´eorique des r´esultats. . . . . . 156
6.5.1 Exp´erimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
´6.5.2 Etude th´eorique du temps d’acc`es effectif au DHCS . . . . . . . . . . 158
6.6 Bilan et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Conclusion g´en´erale 163
Bibliographie 167

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.