YOLOv11改进-Conv篇-DWRSeg扩张式残差助力小目标检测（附创新修改后的C3k2DWRSeg）

一、本文介绍

本文内容给大家带来的 DWRSeg 中的DWR模块来改进YOLOv11中的C2f和Bottleneck模块，主要针对的是小目标检测，主要创新点可以总结如下： 多尺度特征提取机制的深入研究和创新的DWR模块和SIR模块的提出， 这种方法使得网络能够更灵活地适应不同尺度的特征，从而更准确地识别和分割图像中的物体。 通过本文你能够了解到： DWRSeg 的基本原理和框架，并且能够在你自己的网络结构中进行添加0 。

一、本文介绍

二、DWRSeg的原理介绍

2.1 DWRSeg的主要思想

2.2 多尺度特征提取机制的深入研究

2.3 创新的DWR模块和SIR模块的提出

三、DWR模块代码

四、手把手教你添加DWR和C2f_DWR模块

4.1 修改一

4.2 修改二

4.3 修改三

4.4 修改四

4.2 DWR的yaml文件和训练截图

二、DWRSeg的原理介绍

论文地址： 官方论文地址

代码地址： 该代码目前还未开源，我根据论文内容进行了复现内容在文章末尾。

2.1 DWRSeg的主要思想

DWRSeg的主要创新点可以总结如下：

多尺度特征提取机制的深入研究 ：利用深度分离扩张卷积进行多尺度特征提取，并设计了一种高效的两步残差特征提取方法（区域残差化 – 语义残差化）。 这种方法显著提高了实时语义分割中捕获多尺度信息的效率。
创新的DWR模块和SIR模块的提出 ：提出了一个新颖的DWR（扩张残差）模块和 SIR （简单反向残差）模块。这些模块具有精心设计的接收场大小，分别用于网络的上层和下层。

DWRSeg网络在实时语义分割领域取得了一定的效果 ( 从论文的结果来看下图 ) ，特别是在提高处理速度和减轻模型负担的方面。

2.2 多尺度特征提取机制的深入研究

利用深度分离扩张卷积进行多尺度特征提取。 主要内容可以总结如下：

两步残差特征提取方法 ：该方法包括区域残差化（Region Residualization）和语义残差化（Semantic Residualization），旨在提高实时语义分割中多尺度信息捕获的效率。
区域残差化 ：这一步骤中，首先将区域特征图分成几组，然后对这些组进行不同速率的深度分离扩张卷积。这样做可以智慧地根据第二步中的接收场大小来学习特征图，以反向匹配接收场。
语义残差化 ：在这一步中，仅使用一个具有期望接收场的深度分离扩张卷积对每个简洁的区域形式特征图进行基于语义的形态学过滤。这改变了多速率深度分离扩张卷积在特征提取中的角色，从尝试获取尽可能多的复杂语义信息转变为对每个简洁表达的特征图进行简单的形态学过滤。
精细化的扩张率和容量设计 ：为了充分利用每个网络阶段可以实现的不同区域大小的特征图，需要精心设计扩张率和深度分离卷积的容量，以匹配每个网络阶段的不同接收场要求。

通过这种多尺度特征提取机制的深入研究和创新设计，论文提高了实时语义分割任务中多尺度信息捕获的效率 (第一小节的图片) 。

2.3 创新的DWR模块和SIR模块的提出

提出的DWR模块和SIR模块的创新点如下：

DWR（Dilation-wise Residual）模块(本文复现的就是这个DWR模块)

应用场景 ：DWR模块主要应用于网络的高阶段，采用设计的两步特征提取方法。

特征提取 ：该模块利用两步残差特征提取方法（区域残差化 – 语义残差化），有效提高实时语义分割中多尺度信息捕获的效率。

接收场大小设计 ：DWR模块针对网络的上层设计了精细化的接收场大小。

SIR（Simple Inverted Residual）模块

应用场景 ：SIR模块专门为网络的低阶段设计，以满足小接收场的需求，保持高效的特征提取效率。

结构调整 ：

移除了多分支扩张卷积结构，仅保留第一分支，以压缩接收场。

移除了对提取效果贡献较小的3x3深度分离卷积（语义残差化），因为输入特征图的大尺寸和弱语义使得单通道卷积收集的信息太少。因此，在低阶段，单步特征提取比两步特征提取更高效。

总结： 这两个模块的设计改进对于提高实时语义分割网络的性能至关重要，高效处理多尺度上下文信息的能力方面。

三、DWR模块代码

使用方法请看章节四

import torch
import torch.nn as nn
__all__ = ['C3k2_DWRSeg']
def autopad(k, p=None, d=1):  # kernel, padding, dilation
    """Pad to 'same' shape outputs."""
    if d > 1:
        k = d * (k - 1) + 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) + 1 for x in k]  # actual kernel-size
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p
class Conv(nn.Module):
    """Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)."""
    default_act = nn.SiLU()  # default activation
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True):
        """Initialize Conv layer with given arguments including activation."""
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groups=g, dilation=d, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()
    def forward(self, x):
        """Apply convolution, batch normalization and activation to input tensor."""
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))
    def forward_fuse(self, x):
        """Perform transposed convolution of 2D data."""
        return self.act(self.conv(x))
class DWR(nn.Module):
    def __init__(self, dim) -> None:
        super().__init__()
        self.conv_3x3 = Conv(dim, dim // 2, 3)
        self.conv_3x3_d1 = Conv(dim // 2, dim, 3, d=1)
        self.conv_3x3_d3 = Conv(dim // 2, dim // 2, 3, d=3)
        self.conv_3x3_d5 = Conv(dim // 2, dim // 2, 3, d=5)
        self.conv_1x1 = Conv(dim * 2, dim, k=1)
    def forward(self, x):
        conv_3x3 = self.conv_3x3(x)
        x1, x2, x3 = self.conv_3x3_d1(conv_3x3), self.conv_3x3_d3(conv_3x3), self.conv_3x3_d5(conv_3x3)
        x_out = torch.cat([x1, x2, x3], dim=1)
        x_out = self.conv_1x1(x_out) + x
        return x_out
class DWRSeg_Conv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super().__init__()
        self.conv = Conv(in_channels, out_channels, k=1)
        self.dcnv3 = DWR(out_channels)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(out_channels)
        self.gelu = nn.GELU()
    def forward(self, x):
        x = self.conv(x)
        x = self.dcnv3(x)
        x = self.gelu(self.bn(x))
        return x
class Bottleneck_DWRSeg(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):
        """Initializes a bottleneck module with given input/output channels, shortcut option, group, kernels, and
        expansion.
        """
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = DWRSeg_Conv(c_, c2, k[1], 1, groups=g)
        self.add = shortcut and c1 == c2
    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))
class C2f_DWRSeg(nn.Module):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        """Initialize CSP bottleneck layer with two convolutions with arguments ch_in, ch_out, number, shortcut, groups,
        expansion.
        """
        super().__init__()
        self.c = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv((2 + n) * self.c, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2)
        self.m = nn.ModuleList(
            Bottleneck_DWRSeg(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))
    def forward(self, x):
        """Forward pass through C2f layer."""
        y = list(self.cv1(x).chunk(2, 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))
    def forward_split(self, x):
        """Forward pass using split() instead of chunk()."""
        y = list(self.cv1(x).split((self.c, self.c), 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))
def autopad(k, p=None, d=1):  # kernel, padding, dilation
    """Pad to 'same' shape outputs."""
    if d > 1:
        k = d * (k - 1) + 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) + 1 for x in k]  # actual kernel-size
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p
class Conv(nn.Module):
    """Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)."""
    default_act = nn.SiLU()  # default activation
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True):
        """Initialize Conv layer with given arguments including activation."""
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groups=g, dilation=d, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()
    def forward(self, x):
        """Apply convolution, batch normalization and activation to input tensor."""
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))
    def forward_fuse(self, x):
        """Perform transposed convolution of 2D data."""
        return self.act(self.conv(x))
class Bottleneck(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):
        """Initializes a bottleneck module with given input/output channels, shortcut option, group, kernels, and
        expansion.
        """
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = DWRSeg_Conv(c_, c2)
        self.add = shortcut and c1 == c2
    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))
class C2f(nn.Module):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        """Initializes a CSP bottleneck with 2 convolutions and n Bottleneck blocks for faster processing."""
        super().__init__()
        self.c = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv((2 + n) * self.c, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2)
        self.m = nn.ModuleList(Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))
    def forward(self, x):
        """Forward pass through C2f layer."""
        y = list(self.cv1(x).chunk(2, 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))
    def forward_split(self, x):
        """Forward pass using split() instead of chunk()."""
        y = list(self.cv1(x).split((self.c, self.c), 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))
class C3(nn.Module):
    """CSP Bottleneck with 3 convolutions."""
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):
        """Initialize the CSP Bottleneck with given channels, number, shortcut, groups, and expansion values."""
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv3 = Conv(2 * c_, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2)
        self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, k=((1, 1), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n)))
    def forward(self, x):
        """Forward pass through the CSP bottleneck with 2 convolutions."""
        return self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), 1))
class C3k(C3):
    """C3k is a CSP bottleneck module with customizable kernel sizes for feature extraction in neural networks."""
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5, k=3):
        """Initializes the C3k module with specified channels, number of layers, and configurations."""
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        # self.m = nn.Sequential(*(RepBottleneck(c_, c_, shortcut, g, k=(k, k), e=1.0) for _ in range(n)))
        self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, k=(k, k), e=1.0) for _ in range(n)))
class C3k2_DWRSeg(C2f):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""
    def __init__(self, c1, c2, n=1, c3k=False, e=0.5, g=1, shortcut=True):
        """Initializes the C3k2 module, a faster CSP Bottleneck with 2 convolutions and optional C3k blocks."""
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        self.m = nn.ModuleList(
            C3k(self.c, self.c, 2, shortcut, g) if c3k else Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g) for _ in range(n)
        )
if __name__ == "__main__":
    # Generating Sample image
    image_size = (1, 64, 240, 240)
    image = torch.rand(*image_size)
    # Model
    mobilenet_v1 = C3k2_DWRSeg(64, 64)
    out = mobilenet_v1(image)
    print(out.size())

四、手把手教你添加DWR和C2f_DWR模块

4.1 修改一

第一还是建立文件，我们找到如下 ultralytics /nn文件夹下建立一个目录名字呢就是'Addmodules'文件夹( 用群内的文件的话已经有了无需新建) ！然后在其内部建立一个新的py文件将核心代码复制粘贴进去即可。

4.2 修改二

第二步我们在该目录下创建一个新的py文件名字为'__init__.py'( 用群内的文件的话已经有了无需新建) ，然后在其内部导入我们的检测头如下图所示。

4.3 修改三

第三步我门中到如下文件'ultralytics/nn/tasks.py'进行导入和注册我们的模块( 用群内的文件的话已经有了无需重新导入直接开始第四步即可) ！

从今天开始以后的教程就都统一成这个样子了，因为我默认大家用了我群内的文件来进行修改！！

4.4 修改四

按照我的添加在parse_model里添加即可。

到此就修改完成了，大家可以复制下面的yaml文件运行。

4.2 DWR的yaml文件和训练截图

4.2.1 DWR的yaml文件

此版本的训练信息：YOLO11-C3k2-DWRSeg summary: 529 layers, 2,858,411 parameters, 2,858,395 gradients, 7.4 GFLOPs

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLO11 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect
# Parameters
nc: 80 # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolo11n.yaml' will call yolo11.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.50, 0.25, 1024] # summary: 319 layers, 2624080 parameters, 2624064 gradients, 6.6 GFLOPs
  s: [0.50, 0.50, 1024] # summary: 319 layers, 9458752 parameters, 9458736 gradients, 21.7 GFLOPs
  m: [0.50, 1.00, 512] # summary: 409 layers, 20114688 parameters, 20114672 gradients, 68.5 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512] # summary: 631 layers, 25372160 parameters, 25372144 gradients, 87.6 GFLOPs
  x: [1.00, 1.50, 512] # summary: 631 layers, 56966176 parameters, 56966160 gradients, 196.0 GFLOPs
# YOLO11n backbone
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]] # 0-P1/2
  - [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]] # 1-P2/4
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [256, False, 0.25]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 3-P3/8
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [512, False, 0.25]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 9
  - [-1, 2, C2PSA, [1024]] # 10
# YOLO11n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [512, False]] # 13
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [256, False]] # 16 (P3/8-small)
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 13], 1, Concat, [1]] # cat head P4
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [512, False]] # 19 (P4/16-medium)
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 10], 1, Concat, [1]] # cat head P5
  - [-1, 2, C3k2_DWRSeg, [1024, True]] # 22 (P5/32-large)
  - [[16, 19, 22], 1, Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)

4.2.2 DWR的训练过程截图

五、训练文件

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
from ultralytics import YOLO
if __name__ == '__main__':
    model = YOLO('ultralytics/cfg/models/v8/yolov8-C2f-FasterBlock.yaml')
    # model.load('yolov8n.pt') # loading pretrain weights
    model.train(data=r'替换数据集yaml文件地址',
                # 如果大家任务是其它的'ultralytics/cfg/default.yaml'找到这里修改task可以改成detect, segment, classify, pose
                cache=False,
                imgsz=640,
                epochs=150,
                single_cls=False,  # 是否是单类别检测
                batch=4,
                close_mosaic=10,
                workers=0,
                device='0',
                optimizer='SGD', # using SGD
                # resume='', # 如过想续训就设置last.pt的地址
                amp=False,  # 如果出现训练损失为Nan可以关闭amp
                project='runs/train',
                name='exp',
                )

六、本文总结

到此本文的正式分享内容就结束了，在这里给大家推荐我的YOLOv11改进有效涨点专栏，本专栏目前为新开的平均质量分98分，后期我会根据各种最新的前沿顶会进行论文复现，也会对一些老的改进机制进行补充， 目前本专栏免费阅读(暂时，大家尽早关注不迷路~) ，如果大家觉得本文帮助到你了，订阅本专栏，关注后续更多的更新~

 