本發(fā)明涉及地震資料成像領(lǐng)域，更具體地，涉及用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法、用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的裝置以及優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三維地震波場(chǎng)模擬計(jì)算方法是地震波成像技術(shù)的基石，地震波場(chǎng)的快速模擬計(jì)算技術(shù)是現(xiàn)代地震波成像技術(shù)的核心。高性能中央處理器cpu，以及由成千上萬(wàn)個(gè)cpu(centralprocessingunit，中央處理器)組成的高性能計(jì)算機(jī)集群，是近年來(lái)人們用來(lái)實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)模擬的主要工具。最近，采用新型的高性能計(jì)算機(jī)硬件——圖形處理器gpu(graphicprocessingunit，圖形處理器)協(xié)同cpu來(lái)實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)模擬和成像，是當(dāng)前提高三維地震波場(chǎng)模擬和成像計(jì)算效率的發(fā)展主題方向。與傳統(tǒng)的cpu硬件結(jié)構(gòu)不同，圖形處理器gpu具有更多的計(jì)算單元(例如高達(dá)三位數(shù)甚至更多的核)，以及更為復(fù)雜的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)和有限的內(nèi)存資源。

地震波場(chǎng)的模擬和成像方法的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，都是波動(dòng)方程的數(shù)值模擬算法：

上述波動(dòng)方程的數(shù)值模擬方法的關(guān)鍵在于波場(chǎng)在三維空間的拉普拉斯算子(即二階偏導(dǎo)數(shù))的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。圖1示出了現(xiàn)有三維地震波場(chǎng)模擬和成像的原理示意圖，其利用cpu控制和邏輯功能強(qiáng)大以及gpu線程多的特點(diǎn)，由cpu調(diào)用多個(gè)gpu同時(shí)計(jì)算多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)方程，大大提高了計(jì)算效率。但本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，圖1所示的系統(tǒng)未能充分發(fā)掘gpu多核的優(yōu)勢(shì)，仍然不能令人滿意。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種方法，其能夠充分發(fā)掘gpu多核并行運(yùn)算優(yōu)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)三維地震波場(chǎng)模擬和成像。本發(fā)明還提出了相應(yīng)的裝置和系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法，該方法包括：獲取地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息；針對(duì)每個(gè)時(shí)刻的波動(dòng)方程，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法，該方法包括：

步驟201，開(kāi)始計(jì)算，初始化i＝0，然后進(jìn)入步驟202；

步驟202，判斷i<n是否成立，如果成立，進(jìn)入步驟203，否則，結(jié)束計(jì)算；

步驟203，準(zhǔn)備ti時(shí)刻的地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息，然后進(jìn)入步驟204；

步驟204，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)在ti時(shí)刻的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子，然后進(jìn)入步驟205；

步驟205，存儲(chǔ)gpu返回的計(jì)算結(jié)果，然后進(jìn)入步驟206；

步驟206，設(shè)置i＝i+1，然后返回步驟202。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的裝置，該裝置包括：地震數(shù)據(jù)獲取單元，用于獲取地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息；gpu調(diào)用單元，針對(duì)每個(gè)時(shí)刻的波動(dòng)方程，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，用于調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括cpu和gpu。所述cpu被配置為：獲取地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息；針對(duì)每個(gè)時(shí)刻的波動(dòng)方程，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子；存儲(chǔ)gpu返回的計(jì)算結(jié)果。所述gpu被配置為：由所述cpu調(diào)用以計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在相應(yīng)方向的拉普拉斯算子；返回計(jì)算結(jié)果。

本發(fā)明的各方面，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子，充分發(fā)揮gpu線程多的優(yōu)勢(shì)，顯著提高了計(jì)算效率，同時(shí)由于每個(gè)gpu只計(jì)算一個(gè)方向上的拉普拉斯算子，而不需要知道質(zhì)點(diǎn)在其他方向的情況，能有效避免由于gpu寄存器數(shù)目有限所帶來(lái)的計(jì)算效率限制。

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明示例性實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將變得更加明顯，其中，在本發(fā)明示例性實(shí)施方式中，相同的參考標(biāo)號(hào)通常代表相同部件。

圖1示出了現(xiàn)有三維地震波場(chǎng)模擬和成像的原理示意圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的三維地震波場(chǎng)模擬和成像的原理示意圖。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法的流程圖。

圖4(a)中示出了現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)用gpu時(shí)所需的地震數(shù)據(jù)的三維空間位置示意圖。

圖4(b)示出了本發(fā)明中調(diào)用gpu時(shí)所需的地震數(shù)據(jù)的三維空間位置示意圖。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法的流程圖。

圖6(a)示出了在一個(gè)應(yīng)用示例中應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)得到地震波場(chǎng)結(jié)果圖。

圖6(b)示出了在該應(yīng)用示例中應(yīng)用本發(fā)明得到的地震波場(chǎng)結(jié)果圖。

圖7示出了在應(yīng)用本發(fā)明的計(jì)算時(shí)間與應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的計(jì)算時(shí)間之比。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本發(fā)明更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

先對(duì)本發(fā)明的基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的三維地震波場(chǎng)模擬和成像的原理示意圖。如圖2所示，在本發(fā)明中，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，cpu可調(diào)用三個(gè)gpu分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子，可更充分地發(fā)掘gpu的多線程計(jì)算潛力，顯著提高計(jì)算效率、縮短計(jì)算時(shí)間。

實(shí)施例1

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法的流程圖。在本實(shí)施例中，該方法包括：

步驟101，獲取地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息；

步驟102，針對(duì)每個(gè)時(shí)刻的波動(dòng)方程，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子。

在本實(shí)施例中，通過(guò)調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算質(zhì)點(diǎn)在三個(gè)方向上的拉普拉斯算子，大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

圖4(a)中示出了現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)用gpu時(shí)所需的地震數(shù)據(jù)的三維空間位置示意圖。如圖所示，在現(xiàn)有技術(shù)中，調(diào)用一個(gè)gpu線程通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算某個(gè)質(zhì)點(diǎn)(例如質(zhì)點(diǎn)0)的波動(dòng)方程時(shí)，除該點(diǎn)的信息外，通常還需要與其相鄰的其他6個(gè)點(diǎn)(例如質(zhì)點(diǎn)1～6)的信息。

圖4(b)示出了本發(fā)明中調(diào)用gpu時(shí)所需的地震數(shù)據(jù)的三維空間位置示意圖。如圖所示，根據(jù)本發(fā)明，由于每個(gè)gpu僅計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)在某一維度上的拉普拉斯算子，因此除該點(diǎn)的信息外，每個(gè)線程通常只需要額外的其他2個(gè)點(diǎn)的信息。

因此，在本實(shí)施例的一些可能的實(shí)施方式中，該方法還可以包括：可以分別按照x、y、z三個(gè)方向?qū)λ龅卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行排序，按照x、y、z三個(gè)方向排序后的地震數(shù)據(jù)可以被分別提供給用以計(jì)算相應(yīng)方向的拉普拉斯算子的gpu線程。這可帶來(lái)以下好處：

(1)可減少每個(gè)gpu線程中使用的寄存器的數(shù)量。gpu具有多個(gè)線程(三位數(shù)甚至更多)，每個(gè)線程中的寄存器的數(shù)量有限，這也成為制約gpu計(jì)算效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。相比于現(xiàn)有技術(shù)，按不同方向給相應(yīng)gpu提供地震數(shù)據(jù)，能顯著節(jié)約gpu中寄存器的使用數(shù)量，有利于進(jìn)一步提高計(jì)算效率。

(2)可提高gpu訪問(wèn)地震數(shù)據(jù)的速度。例如，如圖4(a)所示，某一方向的相鄰質(zhì)點(diǎn)(例如質(zhì)點(diǎn)5、6)可能與其他質(zhì)點(diǎn)(例如質(zhì)點(diǎn)0～4)的存儲(chǔ)位置相距甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致gpu無(wú)法合并訪問(wèn)，從而限制整體計(jì)算效率。按不同方向給相應(yīng)gpu提供地震數(shù)據(jù)，使得計(jì)算當(dāng)前質(zhì)點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置緊密相鄰，有利于gpu實(shí)現(xiàn)合并訪問(wèn)以提高整體計(jì)算效率。

上述方法可以在cpu中實(shí)施。

實(shí)施例2

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的方法的流程圖。在本實(shí)施例中，該方法包括：

步驟201，開(kāi)始計(jì)算，初始化i＝0，然后進(jìn)入步驟202；

步驟202，判斷i<n是否成立，如果成立，進(jìn)入步驟203，否則，結(jié)束計(jì)算；

步驟203，準(zhǔn)備ti時(shí)刻的地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息，然后進(jìn)入步驟204；

步驟204，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)在ti時(shí)刻的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子，然后進(jìn)入步驟205；

步驟205，存儲(chǔ)gpu返回的計(jì)算結(jié)果，然后進(jìn)入步驟206；

步驟206，設(shè)置i＝i+1，然后返回步驟202。

在一種可能的實(shí)施方式中，準(zhǔn)備ti時(shí)刻的地震數(shù)據(jù)可以包括：可以分別按照x、y、z三個(gè)方向?qū)λ龅卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行排序，按照x、y、z三個(gè)方向排序后的地震數(shù)據(jù)可以被分別提供給用以計(jì)算相應(yīng)方向的拉普拉斯算子的gpu線程。

上述方法可以在cpu中實(shí)施。

實(shí)施例3

本發(fā)明還公開(kāi)了一種用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的裝置。在本實(shí)施例中，該裝置包括地震數(shù)據(jù)獲取單元和gpu調(diào)用單元。其中，地震數(shù)據(jù)獲取單元用于獲取地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息。針對(duì)每個(gè)時(shí)刻的波動(dòng)方程，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，gpu調(diào)用單元用于調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子。

在一種可能的實(shí)施方式中，該裝置還可包括地震數(shù)據(jù)排序單元。地震數(shù)據(jù)排序單元可用于分別按照x、y、z三個(gè)方向?qū)λ龅卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行排序，按照x、y、z三個(gè)方向排序后的地震數(shù)據(jù)可以被分別提供給用以計(jì)算相應(yīng)方向的拉普拉斯算子的gpu線程。

實(shí)施例4

本發(fā)明還公開(kāi)了一種用于優(yōu)化三維地震波場(chǎng)模擬和成像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括cpu和gpu。所述cpu被配置為：獲取地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u以及每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的三維空間位置信息；針對(duì)每個(gè)時(shí)刻的波動(dòng)方程，針對(duì)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，調(diào)用三個(gè)gpu線程分別計(jì)算該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在三維空間的x、y、z三個(gè)方向的拉普拉斯算子；存儲(chǔ)gpu返回的計(jì)算結(jié)果。gpu被配置為：由所述cpu調(diào)用以計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移u在相應(yīng)方向的拉普拉斯算子；返回計(jì)算結(jié)果。

在一些可能的實(shí)施方式中，上述cpu還可以被配置為：可以分別按照x、y、z三個(gè)方向?qū)λ龅卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行排序，按照x、y、z三個(gè)方向排序后的地震數(shù)據(jù)可以被分別提供給用以計(jì)算相應(yīng)方向的拉普拉斯算子的gpu線程。

應(yīng)用示例

為便于理解本發(fā)明實(shí)施例的方案及其效果，以下給出一個(gè)具體應(yīng)用示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，該示例僅為了便于理解本發(fā)明，其任何具體細(xì)節(jié)并非意在以任何方式限制本發(fā)明。

在一個(gè)應(yīng)用示例中，采用256x256x256的三維計(jì)算網(wǎng)格，在相同gpu上執(zhí)行了2000步波場(chǎng)模擬運(yùn)算，應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)和應(yīng)用本發(fā)明得到的地震波場(chǎng)示意圖分別如圖6(a)和圖6(b)所示?？梢钥闯龆叩玫降牡卣鸩▓?chǎng)模擬結(jié)果是一致的，但相比于現(xiàn)有技術(shù)，應(yīng)用本發(fā)明可減少約36％的計(jì)算時(shí)間。

圖7示出了在應(yīng)用本發(fā)明的計(jì)算時(shí)間與應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的計(jì)算時(shí)間之比，其中橫坐標(biāo)表示網(wǎng)格數(shù)，縱坐標(biāo)表示計(jì)算時(shí)間的比值?？梢钥闯觯?dāng)整體三維網(wǎng)格數(shù)為1x10⁷時(shí)，前者所需的計(jì)算時(shí)間為后者的67％。并且隨著計(jì)算量進(jìn)一步加大，本發(fā)明的計(jì)算優(yōu)勢(shì)更為明顯，當(dāng)整體三維網(wǎng)格數(shù)為1x10⁹時(shí)，前者所需的計(jì)算時(shí)間為后者的58％。

以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，上述說(shuō)明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實(shí)施例。在不偏離所說(shuō)明的各實(shí)施例的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)許多修改和變更都是顯而易見(jiàn)的。本文中所用術(shù)語(yǔ)的選擇，旨在最好地解釋各實(shí)施例的原理、實(shí)際應(yīng)用或?qū)κ袌?chǎng)中的技術(shù)的改進(jìn)，或者使本技術(shù)領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能理解本文披露的各實(shí)施例。