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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