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

背景技術：

三維地震波場模擬計算方法是地震波成像技術的基石，地震波場的快速模擬計算技術是現(xiàn)代地震波成像技術的核心。高性能中央處理器cpu，以及由成千上萬個cpu(centralprocessingunit，中央處理器)組成的高性能計算機集群，是近年來人們用來實現(xiàn)地震波場模擬的主要工具。最近，采用新型的高性能計算機硬件——圖形處理器gpu(graphicprocessingunit，圖形處理器)協(xié)同cpu來實現(xiàn)地震波場模擬和成像，是當前提高三維地震波場模擬和成像計算效率的發(fā)展主題方向。與傳統(tǒng)的cpu硬件結構不同，圖形處理器gpu具有更多的計算單元(例如高達三位數(shù)甚至更多的核)，以及更為復雜的內(nèi)存體系結構和有限的內(nèi)存資源。

地震波場的模擬和成像方法的實現(xiàn)基礎，都是波動方程的數(shù)值模擬算法：

上述波動方程的數(shù)值模擬方法的關鍵在于波場在三維空間的拉普拉斯算子(即二階偏導數(shù))的技術實現(xiàn)。圖1示出了現(xiàn)有三維地震波場模擬和成像的原理示意圖，其利用cpu控制和邏輯功能強大以及gpu線程多的特點，由cpu調(diào)用多個gpu同時計算多個質(zhì)點的波動方程，大大提高了計算效率。但本發(fā)明的發(fā)明人通過深入研究發(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，仍然不能令人滿意。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種方法，其能夠充分發(fā)掘gpu多核并行運算優(yōu)勢以實現(xiàn)三維地震波場模擬和成像。本發(fā)明還提出了相應的裝置和系統(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)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息；針對每個時刻的波動方程，針對每個質(zhì)點，調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點的振動位移u在三維空間的x、y、z三個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)化三維地震波場模擬和成像的方法，該方法包括：

步驟201，開始計算，初始化i＝0，然后進入步驟202；

步驟202，判斷i<n是否成立，如果成立，進入步驟203，否則，結束計算；

步驟203，準備ti時刻的地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息，然后進入步驟204；

步驟204，針對每個質(zhì)點，調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點在ti時刻的振動位移u在三維空間的x、y、z三個方向的拉普拉斯算子，然后進入步驟205；

步驟205，存儲gpu返回的計算結果，然后進入步驟206；

步驟206，設置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)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息；gpu調(diào)用單元，針對每個時刻的波動方程，針對每個質(zhì)點，用于調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點的振動位移u在三維空間的x、y、z三個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)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息；針對每個時刻的波動方程，針對每個質(zhì)點，調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點的振動位移u在三維空間的x、y、z三個方向的拉普拉斯算子；存儲gpu返回的計算結果。所述gpu被配置為：由所述cpu調(diào)用以計算質(zhì)點的振動位移u在相應方向的拉普拉斯算子；返回計算結果。

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

附圖說明

通過結合附圖對本發(fā)明示例性實施方式進行更詳細的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本發(fā)明示例性實施方式中，相同的參考標號通常代表相同部件。

圖1示出了現(xiàn)有三維地震波場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)明的一個實施例的用于優(yōu)化三維地震波場模擬和成像的方法的流程圖。

圖4(a)中示出了現(xiàn)有技術中調(diào)用gpu時所需的地震數(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)明的另一實施例的用于優(yōu)化三維地震波場模擬和成像的方法的流程圖。

圖6(a)示出了在一個應用示例中應用現(xiàn)有技術得到地震波場結果圖。

圖6(b)示出了在該應用示例中應用本發(fā)明得到的地震波場結果圖。

圖7示出了在應用本發(fā)明的計算時間與應用現(xiàn)有技術的計算時間之比。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。雖然附圖中顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，然而應該理解，可以以各種形式實現(xiàn)本發(fā)明而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實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給本領域的技術人員。

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

實施例1

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

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

步驟102，針對每個時刻的波動方程，針對每個質(zhì)點，調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點的振動位移u在三維空間的x、y、z三個方向的拉普拉斯算子。

在本實施例中，通過調(diào)用三個gpu線程分別計算質(zhì)點在三個方向上的拉普拉斯算子，大大縮短計算時間，提高計算效率。

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

圖4(b)示出了本發(fā)明中調(diào)用gpu時所需的地震數(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gpu僅計算該質(zhì)點在某一維度上的拉普拉斯算子，因此除該點的信息外，每個線程通常只需要額外的其他2個點的信息。

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

(1)可減少每個gpu線程中使用的寄存器的數(shù)量。gpu具有多個線程(三位數(shù)甚至更多)，每個線程中的寄存器的數(shù)量有限，這也成為制約gpu計算效率的一個關鍵因素。相比于現(xiàn)有技術，按不同方向給相應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，有利于進一步提高計算效率。

(2)可提高gpu訪問地震數(shù)據(jù)的速度。例如，如圖4(a)所示，某一方向的相鄰質(zhì)點(例如質(zhì)點5、6)可能與其他質(zhì)點(例如質(zhì)點0～4)的存儲位置相距甚遠，導致gpu無法合并訪問，從而限制整體計算效率。按不同方向給相應gpu提供地震數(shù)據(jù)，使得計算當前質(zhì)點所需的數(shù)據(jù)的存儲位置緊密相鄰，有利于gpu實現(xiàn)合并訪問以提高整體計算效率。

上述方法可以在cpu中實施。

實施例2

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

步驟201，開始計算，初始化i＝0，然后進入步驟202；

步驟202，判斷i<n是否成立，如果成立，進入步驟203，否則，結束計算；

步驟203，準備ti時刻的地震數(shù)據(jù)，所述地震數(shù)據(jù)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息，然后進入步驟204；

步驟204，針對每個質(zhì)點，調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點在ti時刻的振動位移u在三維空間的x、y、z三個方向的拉普拉斯算子，然后進入步驟205；

步驟205，存儲gpu返回的計算結果，然后進入步驟206；

步驟206，設置i＝i+1，然后返回步驟202。

在一種可能的實施方式中，準備ti時刻的地震數(shù)據(jù)可以包括：可以分別按照x、y、z三個方向?qū)λ龅卣饠?shù)據(jù)進行排序，按照x、y、z三個方向排序后的地震數(shù)據(jù)可以被分別提供給用以計算相應方向的拉普拉斯算子的gpu線程。

上述方法可以在cpu中實施。

實施例3

本發(fā)明還公開了一種用于優(yōu)化三維地震波場模擬和成像的裝置。在本實施例中，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)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息。針對每個時刻的波動方程，針對每個質(zhì)點，gpu調(diào)用單元用于調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點的振動位移u在三維空間的x、y、z三個方向的拉普拉斯算子。

在一種可能的實施方式中，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三個方向?qū)λ龅卣饠?shù)據(jù)進行排序，按照x、y、z三個方向排序后的地震數(shù)據(jù)可以被分別提供給用以計算相應方向的拉普拉斯算子的gpu線程。

實施例4

本發(fā)明還公開了一種用于優(yōu)化三維地震波場模擬和成像的系統(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)包括多個質(zhì)點的振動位移u以及每個質(zhì)點的三維空間位置信息；針對每個時刻的波動方程，針對每個質(zhì)點，調(diào)用三個gpu線程分別計算該質(zhì)點的振動位移u在三維空間的x、y、z三個方向的拉普拉斯算子；存儲gpu返回的計算結果。gpu被配置為：由所述cpu調(diào)用以計算質(zhì)點的振動位移u在相應方向的拉普拉斯算子；返回計算結果。

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

應用示例

為便于理解本發(fā)明實施例的方案及其效果，以下給出一個具體應用示例。本領域技術人員應理解，該示例僅為了便于理解本發(fā)明，其任何具體細節(jié)并非意在以任何方式限制本發(fā)明。

在一個應用示例中，采用256x256x256的三維計算網(wǎng)格，在相同gpu上執(zhí)行了2000步波場模擬運算，應用現(xiàn)有技術和應用本發(fā)明得到的地震波場示意圖分別如圖6(a)和圖6(b)所示。可以看出二者得到的地震波場模擬結果是一致的，但相比于現(xiàn)有技術，應用本發(fā)明可減少約36％的計算時間。

圖7示出了在應用本發(fā)明的計算時間與應用現(xiàn)有技術的計算時間之比，其中橫坐標表示網(wǎng)格數(shù)，縱坐標表示計算時間的比值?？梢钥闯?，當整體三維網(wǎng)格數(shù)為1x10⁷時，前者所需的計算時間為后者的67％。并且隨著計算量進一步加大，本發(fā)明的計算優(yōu)勢更為明顯，當整體三維網(wǎng)格數(shù)為1x10⁹時，前者所需的計算時間為后者的58％。

以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的范圍和精神的情況下，對于本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或?qū)κ袌鲋械募夹g的改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。