[yolov11改进系列]基于yolov11引入重参数化模块DiverseBranchBlock的python源码+训练源码-海口c网

【DiverseBranchBlock介绍】

摘要：我们提出一种通用的卷积网络构造块用来在不增加任何推理时间的前提下提升卷积网络的性能。我们将这个块命名为分离分支块（Diverse Branch Block）。通过结合不同尺寸和复杂度的分离分支（包括串联卷积、多尺度卷积和平均池化层）来增加特征空间的方法，它提升了单个卷积的表达能力。完成训练后，一个DBB(Diverse Branch Block)可以被等价地转换为一个单独的卷积操作以方便部署。不同于那些新颖的卷积结构的改进方式，DBB让训练时微结构复杂化同时维持大规模结构，因此我们可以将它作为任意结构中通用卷积层的一种嵌入式替代形式。通过这种方式，我们能够将模型训练到一个更高的表现水平，然后在推理时转换成原始推理时间的结构。

主要贡献点：

（1）我们建议合并大量的微结构到不同的卷积结构中来提升性能，但是维持原始的宏观结构。

（2）我们提出DBB，一个通用构造块结构，概括六种转换来将一个DBB结构转化成一个单独卷积，因为对于用户来说它是无损的。

（3）我们提出一个Inception-like DBB结构实例(Fig 1)，并且展示它在ImageNet、COCO detection 和CityScapes任务中获得性能提升。

结构重参数化
本文和一个并发网络RepVGG[1]是第一个使用结构重参数化来命名该思路------使用从其他结构转化来的参数确定当前结构的参数。一个之前的工作ACNet[2]也可以被划分为结构重参数化，它提出使用非对称卷积块来增强卷积核的结构（i.e 十字形结构）。相比于DBB，它被设计来提升卷积网络（在没有额外推理时间损失的条件下）。这个流水线也包含将一个训练好的模型转化为另一个。但是，ACNet和DBB的区别是：ACNet的思想被激发是基于一个观察，这个观察是网络结构的参数在过去有更大的量级，因此寻找方法让参数量级更大，然而我们关注一个不同的点。我们发现平均池化、1x1 conv 和 1x1-kxk串联卷积是更有效的，因为它们提供了不同复杂度的路线，以及允许使用更多训练时非线性化。除此以外，ACB结构可以看作是DBB结构的一种特殊形式，因为那个1xk和kx1卷积层能够被扩大成kxk（via Transform VI(Fig.2)），然后合并成一个平方核（via Transform II）。

DBB（Diverse Branch Block）是一种类似Inception的多分支结构，用于网络结构重参数化。它通过多分支结构类型更丰富（多尺度卷积、平均池化等），感受野更多样性，各操作具有不同的计算复杂度，因此更具有通用性，可以用来替换单个卷积进行训练。在训练阶段，对模型中的任意一个 K×K卷积，都可以用DBB替换，由于DBB引入了不同感受野、不同复杂度的多分支结构，可以显著提升原有模型的精度。在推理阶段，通过这六种结构重参数转换方法，可以将DBB等价地再转换成一个 K×K卷积，这样就可以在模型结构、计算量、推理时间都不变的前提下无损涨点。

DBB是基于六种变换模块而实现的，分别为：Conv-BN合并、并行合并、串行合并、并行拼接、平均池化变换和多尺度卷积合并。如下图：

【yolov11框架介绍】

2024 年 9 月 30 日，Ultralytics 在其活动 YOLOVision 中正式发布了 YOLOv11。YOLOv11 是 YOLO 的最新版本，由美国和西班牙的 Ultralytics 团队开发。YOLO 是一种用于基于图像的人工智能的计算机模

Ultralytics YOLO11 概述

YOLO11 是Ultralytics YOLO 系列实时物体检测器的最新版本，以尖端的精度、速度和效率重新定义了可能性。基于先前 YOLO 版本的令人印象深刻的进步，YOLO11 在架构和训练方法方面引入了重大改进，使其成为各种计算机视觉任务的多功能选择。

Key Features 主要特点

增强的特征提取：YOLO11采用改进的主干和颈部架构，增强了特征提取能力，以实现更精确的目标检测和复杂任务性能。
针对效率和速度进行优化：YOLO11 引入了精致的架构设计和优化的训练管道，提供更快的处理速度并保持准确性和性能之间的最佳平衡。
使用更少的参数获得更高的精度：随着模型设计的进步，YOLO11m 在 COCO 数据集上实现了更高的平均精度(mAP)，同时使用的参数比 YOLOv8m 少 22%，从而在不影响精度的情况下提高计算效率。
跨环境适应性：YOLO11可以无缝部署在各种环境中，包括边缘设备、云平台以及支持NVIDIA GPU的系统，确保最大的灵活性。
支持的任务范围广泛：无论是对象检测、实例分割、图像分类、姿态估计还是定向对象检测 (OBB)，YOLO11 旨在应对各种计算机视觉挑战。

与之前的版本相比，Ultralytics YOLO11 有哪些关键改进？

Ultralytics YOLO11 与其前身相比引入了多项重大进步。主要改进包括：

增强的特征提取：YOLO11采用改进的主干和颈部架构，增强了特征提取能力，以实现更精确的目标检测。
优化的效率和速度：精细的架构设计和优化的训练管道可提供更快的处理速度，同时保持准确性和性能之间的平衡。
使用更少的参数获得更高的精度：YOLO11m 在 COCO 数据集上实现了更高的平均精度(mAP)，参数比 YOLOv8m 少 22%，从而在不影响精度的情况下提高计算效率。
跨环境适应性：YOLO11可以跨各种环境部署，包括边缘设备、云平台和支持NVIDIA GPU的系统。
支持的任务范围广泛：YOLO11 支持多种计算机视觉任务，例如对象检测、实例分割、图像分类、姿态估计和定向对象检测 (OBB)

【测试环境】

windows10 x64

ultralytics==8.3.0

torch==2.3.1

【改进流程】

1. 新增DBB.py实现模块（代码太多，核心模块源码请参考改进步骤.docx）然后在同级目录下面创建一个init_.py文件写代码

from .DBB import *

2. 文件修改步骤

修改tasks.py文件

创建模型配置文件

yolo11-DBB.yaml内容如下：

# 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 GFLOPss: [0.50, 0.50, 1024] # summary: 319 layers, 9458752 parameters, 9458736 gradients, 21.7 GFLOPsm: [0.50, 1.00, 512] # summary: 409 layers, 20114688 parameters, 20114672 gradients, 68.5 GFLOPsl: [1.00, 1.00, 512] # summary: 631 layers, 25372160 parameters, 25372144 gradients, 87.6 GFLOPsx: [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, DiverseBranchBlock, [128, 3, 2]] # 1-P2/4- [-1, 2, C3k2, [256, False, 0.25]]- [-1, 1, DiverseBranchBlock, [256, 3, 2]] # 3-P3/8- [-1, 2, C3k2, [512, False, 0.25]]- [-1, 1, DiverseBranchBlock, [512, 3, 2]] # 5-P4/16- [-1, 2, C3k2, [512, True]]- [-1, 1, DiverseBranchBlock, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32- [-1, 2, C3k2, [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, [512, False]] # 13- [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]- [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3- [-1, 2, C3k2, [256, False]] # 16 (P3/8-small)- [-1, 1, DiverseBranchBlock, [256, 3, 2]]- [[-1, 13], 1, Concat, [1]] # cat head P4- [-1, 2, C3k2, [512, False]] # 19 (P4/16-medium)- [-1, 1, DiverseBranchBlock, [512, 3, 2]]- [[-1, 10], 1, Concat, [1]] # cat head P5- [-1, 2, C3k2, [1024, True]] # 22 (P5/32-large)- [[16, 19, 22], 1, Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)

3. 验证集成

使用新建的yaml配置文件启动训练任务：

from ultralytics import YOLOif __name__ == '__main__':model = YOLO('yolo11-DBB.yaml')  # build from YAML and transfer weights# Train the modelresults = model.train(data='coco128.yaml',epochs=100, imgsz=640, batch=8, device=0, workers=1, save=True,resume=False)

成功集成后，训练日志中将显示DBB模块的初始化信息，表明已正确加载到模型中。

【训练说明】

第一步：首先安装好yolov11必要模块，可以参考yolov11框架安装流程，然后卸载官方版本pip uninstall ultralytics，最后安装改进的源码pip install .
第二步：将自己数据集按照dataset文件夹摆放，要求文件夹名字都不要改变
第三步：分别打开train.py,coco128.yaml和模型参数yaml文件修改必要的参数，最后执行python train.py即可训练

【提供文件】

├── [官方源码]ultralytics-8.3.0.zip
├── train/
│   ├── coco128.yaml
│   ├── dataset/
│   │   ├── train/
│   │   │   ├── images/
│   │   │   │   ├── firc_pic_1.jpg
│   │   │   │   ├── firc_pic_10.jpg
│   │   │   │   ├── firc_pic_11.jpg
│   │   │   │   ├── firc_pic_12.jpg
│   │   │   │   ├── firc_pic_13.jpg
│   │   │   ├── labels/
│   │   │   │   ├── classes.txt
│   │   │   │   ├── firc_pic_1.txt
│   │   │   │   ├── firc_pic_10.txt
│   │   │   │   ├── firc_pic_11.txt
│   │   │   │   ├── firc_pic_12.txt
│   │   │   │   ├── firc_pic_13.txt
│   │   └── val/
│   │       ├── images/
│   │       │   ├── firc_pic_100.jpg
│   │       │   ├── firc_pic_81.jpg
│   │       │   ├── firc_pic_82.jpg
│   │       │   ├── firc_pic_83.jpg
│   │       │   ├── firc_pic_84.jpg
│   │       ├── labels/
│   │       │   ├── firc_pic_100.txt
│   │       │   ├── firc_pic_81.txt
│   │       │   ├── firc_pic_82.txt
│   │       │   ├── firc_pic_83.txt
│   │       │   ├── firc_pic_84.txt
│   ├── train.py
│   ├── yolo11-DBB.yaml
│   └── 训练说明.txt
├── [改进源码]ultralytics-8.3.0.zip
├── 改进原理.pdf
└── 改进流程.docx

【常见问题汇总】
问：为什么我训练的模型epoch显示的map都是0或者map精度很低?
回答：由于源码改进过，因此不能直接从官方模型微调，而是从头训练，这样学习特征能力会很弱，需要训练很多epoch才能出现效果。此外由于改进的源码框架并不一定能够保证会超过官方精度，而且也有可能会存在远远不如官方效果，甚至精度会很低。这说明改进的框架并不能取得很好效果。所以说对于框架改进只是提供一种可行方案，至于改进后能不能取得很好map还需要结合实际训练情况确认，当然也不排除数据集存在问题，比如数据集比较单一，样本分布不均衡，泛化场景少，标注框不太贴合标注质量差，检测目标很小等等原因
【重要说明】
我们只提供改进框架一种方案，并不保证能够取得很好训练精度，甚至超过官方模型精度。因为改进框架，实际是一种比较复杂流程，包括框架原理可行性，训练数据集是否合适，训练需要反正验证以及同类框架训练结果参数比较，这个是十分复杂且漫长的过程。