基于3D技術的宋錦小花樓織機數字虛擬復原及效果評價

摘要：為了更好地實現宋錦小花樓織機及其制作技藝與織造技藝的數字化保護和傳播，文章提出一種基于三維建模對宋錦小花樓織機的數字虛擬復原的方法。首先，運用實地調查法對宋錦小花樓織機各項數據進行實地勘測，并運用AUTO CAD軟件對宋錦小花樓織機的形制、結構及聯動機構進行繪制；其次，運用基于Autodesk 3dsmax 三維建模技術對該織機進行數字建模及其制作、織造工藝的數字化動態復原，并運用VRay軟件對復原的宋錦小花樓織機進行材質及場景渲染；最后，將宋錦小花樓織機數字復原成果進行綜合評價。基于3D技術對宋錦小花樓織機及其制作與織造工藝的數字動態復原，可以有效解決文物的數字化保護、古織機制作技藝與傳統織造技藝傳播的難題。結果表明，該方法可以完成宋錦小花樓織機及其制作與織造技術的高精度數字化復原，可以有效還原出宋錦小花樓織機及其制作與織造過程的動態展示，為紡織文化遺產與非物質文化遺產的數字化保護提供新的方法。

關鍵詞：3D數字技術；宋錦小花樓織機；制作技藝；織造技藝；文化遺產；非物質文化遺產；數字化保護

中圖分類號：TS941.26

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2025）01003010

DOI：10.3969 j.issn.1001-7003.2025.01.004

作者簡介：張金宇（1999），男，碩士研究生，研究方向為非物質文化遺產數字化保護。通信作者：李鴻宇，講師，碩導，lihongyu1915@163.com。

隨著虛擬數字技術的發展，其在文化遺產與非物質文化遺產保護領域的應用正逐漸成為研究的熱點。古織機作為中國古代紡織領域的一項偉大創造，展現了古代匠人千百年來的智慧結晶。宋錦小花樓織機及其制作與織造技藝的數字化復原，不僅有助于其長久保存，更有助于向大眾展示古代紡織文化的精髓。目前有關紡織類數字復原的領域主要集中在傳統服飾與紋飾領域，對于古織機及其制作、織造技藝的數字復原并未進行系統性的研究。如鄧可卉等［1］對唐代“黃地夾纈絁袍”進行數字化復原與修復；谷雨珊等［2］對唐代紅地團窠對鳥紋錦半臂進行數字化復原；祝超倫［3］等將“斜織機”的整體形制進行數字復原；秦小婷等［4］將新疆“艾德萊斯傳統織機”的整體形制與織造原理進行數字復原 ；盧毅［5］等將南京“云錦大花樓織機”的整體形制與織造原理進行數字復原。由此可見，利用數字技術手段對紡織文化遺產進行數字化保護已成為重要的研究趨勢。宋錦小花樓織機不僅作為織造工具，更是工匠精神與文化價值的歷史承載者［6］。宋錦小花樓織機被陳列于各大博物館與藝術展覽中［7-8］，向大眾傳播紡織文化的魅力。運用數字技術手段對宋錦小花樓織機及其制作與織造技藝的數字化保護，對紡織文化遺產與非物質文化遺產的綜合性保護具有重要現實意義。

1 宋錦小花樓織機結構分析

宋錦小花樓織機是中國紡織類文化遺產，其制作技藝與織造技藝更是中國寶貴的非物質文化遺產［9］。宋錦織物屬中國傳統絲制工藝品，與云錦、蜀錦、壯錦并稱為中國四大名錦。宋錦小花樓提花織機是相沿制織的蜀錦提花織機，即束綜提花織機［10］。美國弗利爾美術館《摹樓璹蠶織圖》中對于花樓織機的整體形制進行了描繪（圖1），漢代文學家王逸曾在《機婦賦》［11］中對花樓提花織機作了較為全面的形象化描述：“……高樓雙峙，下臨清池。游魚銜餌，瀺灂其陂。鹿盧并起，纖繳俱垂。宛若星圖，屈伸推移。一往一來，匪勞匪疲……”

20世紀90年代，因當時生產宋錦手工牽花的花樓織機已經失傳，蘇州絲綢博物館錢小萍根據《天工開物·乃服》所記載的花樓織機，按照宋錦織物的要求改制了宋錦花樓織機（圖2）［10］。宋錦為雙人織造，織機下方為織花工，織機上方為挽花工，也稱拽花工。織花工在織造過程中需足踏腳竹，并進行投梭打緯；挽花工則在織機上方提拉纖線進行提花工序［12］。

宋錦小花樓織機作為中國古代束綜提花織機的典型代表之一，該織機結構復雜且精密，不僅能夠實現基本織造的功能，還能夠完成復雜提花圖案的制作［13］。宋錦小花樓織機的核心織造結構為織機五大基本運動，分別為開口運動、引緯運動、打緯運動、送經運動及卷曲運動。通過各運動之間的相互協調，以共同完成織造過程，如表1所示。

開口運動作為宋錦織造過程中的關鍵部分，由織花工控制綜片開口與挽花工控制提拉纖線實現［14］。通過織花工與挽花工的協調配合，根據紋飾圖案抬升綜片與提拉纖線完成開口運動；引緯運動與打緯運動由織花工負責操作，將梭子往返投接在開口中進行引緯織造，并將新插入的緯線用竹筘進行打緊壓實；送經運動為織造過程持續提供的經線；而卷取運動則是指將已織好的織物卷繞到局頭部位。通過對宋錦小花樓織機制作結構與織造過程的深入分析，對紡織類文化遺產與非物質文化遺產的數字化保護與傳承具有積極作用［15］。

2 宋錦小花樓織機數字復原法

宋錦小花樓織機數字復原法是指運用二維與三維數字技術手段對宋錦小花樓織機及其制作技藝與織造技藝的數字動態復原。通過數據搜集與模型建立確定宋錦小花樓織機的結構數據與制作流程，將數字復原后的宋錦小花樓織機進行材質配置與參數調試復原該織機的真實肌理，最后將宋錦小花樓織機的制作原理與織造原理進行三維數字動態復原，以達到對宋錦小花樓織機制作與織造工藝的系統性數字化保護。

2.1 數據搜集與模型建立

根據蘇州絲綢博物館原工藝部主任、中國古織機制作技藝非物質文化產傳承人朱劍鳴專家所提供的宋錦小花樓織機（圖3）及各部件名稱、結構及裝造方式，測量得出各部件結構尺寸等信息，通過對宋錦小花樓織機數據的搜集整理，確定宋錦小花樓織機的結構參數。

將搜集的宋錦小花樓織機各項數據進行整理，運用AUTO CAD軟件對宋錦小花樓織機進行梳理并繪制宋錦小花樓織機結構（圖4）。繪制完成后對宋錦小花樓織機文件以“.dwg”格式進行保存，以便進行下一步數字復原工作。

將上述文件導入Autodesk 3dsmax軟件中，結合調研數據進行數字復原，并對上述文件進行凍結孤立，避免在數字復原過程中出現錯誤。根據前期調研分析，宋錦小花樓織機主要為榫卯結構，因此在數字復原的過程中采用“3D 動態捕捉”工具，以保證宋錦小花樓織機在數字復原的過程中使榫卯連接處能夠精確吻合，組裝完成如圖5所示。

2.2 材質制作及參數調試

2.2.1 材質制作

經過實地調研與文獻分析，宋錦小花樓織機主要材質為木質材質與竹質材質，因此制作該織機的木紋材質貼圖、竹紋材質貼圖及兩種材質貼圖的法線貼圖，如圖6所示。

2.2.2 參數調試

完成宋錦小花樓織機的材質貼圖制作，運用VRay軟件對宋錦小花樓織機的材質進行參數調試。通過調整上述兩種材質的各項參數，可以使該織機在Autodesk 3dsmax中所表現出的材質更加真實且有光澤度，經過調試后得到的材質參數如表2、表3所示。

2.3 制作原理與織造原理數字動態復原

2.3.1 制作原理數字動態復原

宋錦小花樓織機制作原理的數字動態復原是運用Autodesk 3dsmax的幀序列技術將宋錦小花樓織機中各結構部件組裝過程進行圖像序列快速播放，使其能夠將宋錦小花樓織機制作過程可視化。

首先，將宋錦小花樓織機數字復原模型按照各聯動機構進行分類成組，主要分為機架結構組、投梭打緯組、地綜開口組、花綜開口組、花樓提花組與送經卷曲組等，以確保各組別按照預先設定入場順序進行復原展示。

其次，確定宋錦小花樓織機幀序列長度，統計各組別入場時長與視角切換時長，根據統計結果制作各組別入場關鍵幀，并設定幀速率、幀數、開始時間和結束時間等關鍵參數。

最后，為能夠更多維度地展示宋錦小花樓織機制作原理，在各組別中采用以X Y Z軸的關鍵幀制作，并制作各機構入場結束后總視角切換關鍵幀，使其能夠呈現不同視角的動態效果，如圖7所示。

2.3.2 織造原理數字動態復原

完成宋錦小花樓制作原理的數字復原后，對宋錦小花樓織機織造原理進行數字動態復原。在開始動態復原宋錦小花樓織造原理之前，須對制作原理數字復原文件備份，以避免制作原理與織造原理在數字動態復原的過程中產生關鍵幀序列沖突。備份后對織機各聯動部分進行骨骼綁定并分類成組，以確保在施加力的過程中織機各結構部件產生聯動效果。

1）地綜開口是指織造宋錦時織花工所控制的伏綜機構［16］。與大花樓織機地綜開口部分原理相同，地綜開口機構主要由腳竹、腳竹線、幛子、橫竹桿、經線、吊綜線及弓蓬（棚）等部件組成。

當織花工足踏腳竹時，腳竹α端作為軸心保持不變，腳竹β端向下運動；腳竹與腳竹線互為聯動，當腳竹β端向下運動時，腳竹線同時向下運動；腳竹線與橫竹桿互為聯動，當腳竹線向下運動時，橫竹桿同時向下運動；橫竹桿與幛子互為聯動，當橫竹桿向下運動時，幛子同時向下運動；幛子與經線互為聯動，當幛子向下運動時，經線向下運動從而形成地綜開口；幛子與吊綜線互為聯動，當幛子向下運動時，吊綜線同時向下運動；吊綜線與弓蓬互為聯動，當吊綜線向下運動時，弓蓬兩端同時向下運動。

因弓蓬結構具有彈性特點，當停止對上述各部件操作時，弓蓬γ部分則產生回彈力，使幛子現有的開口全部關閉，各部件恢復到初始位置，如圖8所示。

2）花綜開口是指織造宋錦時織花工所控制的起綜機構。與大花樓織機花綜開口部分原理相同，花綜開口機構主要由腳竹、腳竹線、范子、橫沿竹、經線、吊綜線、蝦須繩及城墻垛等部件組成。

當織花工足踏腳竹時，腳竹α端作為軸心保持不變，腳竹β端向下運動；腳竹與腳竹線互為聯動，當腳竹β端向下運動時，腳竹線同時向下運動；腳竹線與橫沿竹互為聯動，當腳竹線向下運動時，橫沿竹α端作為軸心保持不變，橫沿竹β端向下運動；橫沿竹β端與蝦須繩互為聯動，當橫沿竹β端向下運動時，蝦須繩同時向下運動；蝦須繩與老鴉翅β端互為聯動，當蝦須繩向下運動時，老鴉翅β端向下運動；同時，城墻垛γ作為老鴉翅的支點，當老鴉翅β端向下運動時，老鴉翅α端向上運動；老鴉翅α端與吊綜線互為聯動，當老鴉翅α端向上運動時，吊綜線向上運動；吊綜線與范子互為聯動，當吊綜線向上運動時，范子同時向上運動，范子與經線互為聯動，當范子向上運動時，經線同時向上運動從而形成開口。

當停止對上述各部件操作時，范子受重力影響向下運動，使范子中現有的開口全部關閉，各部件恢復到初始位置，如圖9所示。

3）投梭打緯部分是指在織造宋錦時織花工所控制的引緯和打緯部分。與大花樓織機投梭打緯部分相似，投梭打緯機構主要由局頭、狗腦、經線、梭子、筘、吊框線、撞桿、立人、立人盤及立人銷等部件組成。其中，狗腦與局頭互為固定；撞桿與立人銷、立人互為固定；立人與立人盤互為固定；筘與吊框線、撞桿互為固定。

投梭 引緯：在操控幛子或操作范子時，經線會形成向下或向上的開口，梭子往返投接在開口的兩側，即投梭機構，如圖10所示。

打緯：結束投梭后，運用打緯機構將織入的緯線進行打緊，以避免織物結構松散與紋樣變形。其中，筘與吊框線、撞桿互為聯動，當筘進行往復運動時，撞桿隨筘進行往復運動；同時，吊框線α端保持不變，β端與γ端隨筘進行往復運動；撞桿與立人、立人銷互為聯動，當撞桿進行往復運動時，立人α1與α2端與立人銷位置保持不變，β端與γ端隨撞桿進行往復運動；立人與立人盤互為聯動，當立人β端與γ端進行往復運動時，立人盤與立人α1與α2端位置不變，如圖11所示。

4）花樓開口部分是指在織造宋錦時挽花工控制的提花部分［17］。花樓開口部分主要由掛花筒、花本線、纖線、衢盤、衢腳、經線等部件組成。其中，掛花筒與纖線互為固定；纖線與經線、花本線、衢腳互為固定；衢盤固定在兩側樓柱之間負責分隔纖線。

進行拽花工序時，將結綁的花本線進行梳理，把需要提花的花本線從花本中分離，并通過牽拉花本線得到本次需要提花的纖線。當挽花工向后拉動本次需要提花的纖線時，纖線向上運動；纖線與經線互為聯動，當纖線向上運動時，經線同時向上運動形成提花開口；纖線與衢腳互為固定，纖線向上運動時，衢腳同時向上運動。

當停止對上述各部件操作時，衢腳受重力影響向下運動，使現有的提花開口全部關閉，除使用過的花本線進入下一次循環外，各部件恢復到初始位置，如圖12所示。

2.4 宋錦小花樓織機數字復原效果

經上述對宋錦小花樓織機的組裝、材質參數調試、制作原理及織造原理數字化復原，運用VRay軟件對宋錦小花樓織機進行渲染。渲染后的宋錦小花樓織機其整體形制與細節得以精確展現，并能從不同角度觀察到織機的全貌。通過材質與光影效果的調試，使得原本黯然無光的織機變得煥然一新，呈現真實的材質質感，從而實現宋錦小花樓織機的“數字重生”。此外，經過數字復原后的宋錦小花樓織機不僅能夠呈現更為豐富的結構與細節，并通過制作原理與織造原理的數字復原，能夠更為直觀地觀察到宋錦小花樓織機的織造過程，使大眾能夠更加真實、全面地了解與體驗宋錦小花樓織機的獨特魅力，如圖13所示。

3 宋錦小花樓織機的數字復原效果評價

宋錦小花樓織機的數字復原效果評價采用AHP層次分析法與模糊綜合評價法相結合的評價方法，以評價數字復原成果的準確性與優劣性。通過運用AHP層次分析法對各項評價指標進行計算得出權重結果，并將結果進行一致性檢驗，驗證權重結果的準確性與可靠性［18］。最后將各項指標的權重結果與模糊綜合評價法結合，根據最大隸屬度原則確定數字復原成果的優劣。通過建立數字復原效果評價體系，確保宋錦小花樓織機數字復原成果與實物宋錦小花樓織機保持一致。

3.1 評價指標體系建立

目前針對古織機數字化的效果評價并沒有統一的標準，因此根據古織機復原過程中須著重考慮其整體形制、細部結構、材質復原與修復及工作原理等因素，基于上述因素構建古織機數字復原評價指標體系。依據AHP層次分析法，將古織機數字復原分為目標層U與指標層u，如表4所示。

3.2 確定指標權重

運用AHP層次分析法對上述指標層進行指標權重計算。評價指標體系中的指標層對宋錦小花樓織機的數字復原效果的影響程度不同，需通過計算得出宋錦小花樓織機數字復原效果各指標層權重系數。

3.3 構建判斷矩陣

采用專家賦值的方式，邀請5位熟悉古織機制作與復原領域的專家對古織機數字復原效果的各項指標重要度進行賦值。賦值越大，則代表該指標的權重系數越大；賦值越小，則代表該指標的權重系數越小。統計整理各專家的重要度賦分結果，構建判斷矩陣B。Bi是指標下（i1， i2， i3， i4）每2個指標兩兩對比得到的判斷矩陣，經過5位專家對指標層進行重要度賦分，得到的判斷矩陣如下：

B1=11.66721.250

0.600120.667

0.5000.50010.500

0.8001.50021

B2=11.6672.5001.429

0.600120.667

0.4000.50010.500

0.7001.50021

B3=11.42921.667

0.700120.400

0.5000.50010.500

0.6002.50021

B4=11.42921.250

0.70011.6670.500

0.5000.60010.333

0.800231

B5=11.4291.6671.250

0.70011.4290.400

0.6000.70010.333

0.8002.50031

3.4 計算各指標權重系數

查表得到各項指標集成權重系數（A）。根據權重系數的結果確定權重順序，排序結果為u1、u4、u2、u3，具體各指標權重系數如表5所示，隨機一致性指標RI如表6所示。

3.5 一致性檢驗

在對指標進行兩兩比較時可能會出現不一致的結論，因此有必要對各判斷矩陣進行一致性檢驗，如下式所示。

λmax=∑mi=1Awwm（1）

CI=（λmax-m）（m-1）（2）

CR=CIRIlt;0.1（3）

式中：λmax為最大特征根；w為各指標按列歸一化后的算數平均值；Aw為各指標權重值；m為指標個數；CI為一致性指標；CR為檢驗系數；RI為平均隨機一致性指標。

以指標層判斷矩陣B1為例，查表得到B1指標中λmax=4.03， CI=0.01，已知RI=0.89，CR=0.011 5lt;0.1，通過一致性測驗。根據以上方法計算，得出B2=0.007 8lt;0.1，B3=0056 4lt;0.1，B4=0.017 6lt;0.1，B5=0.031 7lt;0.1，均通過一致性檢驗。

3.6 模糊綜合評價

根據宋錦小花樓織機的數字復原效果評價指標體系，設定宋錦小花樓織機數字復原效果評價集。采用五級標準尺度V=［ v1，v2，v3，v4，v5］=［非常差，差，一般，好，非常好］［19］。以問卷調查的方式對宋錦小花樓織機的各項復原指標進行評價。所采集的數據經過整理［20］，得到宋錦小花樓織機的數字復原效果評價，如表7所示。

根據表7所得到的數據，得到評價矩陣如下：

R=0.0500.0370.1610.3900.361

0.0470.0500.1740.3770.352

0.0400.0530.1680.4080.330

0.0590.0500.1560.3640.370

3.7 計算模糊綜合評價

根據模糊評價理論，將對應評價層的權重向量和模糊評價矩陣進行綜合，即可得到模糊綜合評價結果［21］。由公式Z=A·R計算得到：

Z=［ 0.335 78 0.207 70 0.137 24 0.319 30 ］·

0.0500.0370.1610.3900.361

0.0470.0500.1740.3770.352

0.0400.0530.1680.4080.330

0.0590.0500.1560.3640.370

=［0.051 0.046 0.163 0.381 0.358］

根據宋錦小花樓織機數字復原效果評價體系，復原效果指標分為非常差、差、好、一般、非常好。通過計算模糊綜合評價矩陣Z可得出，“非常差”的隸屬度為5.1%，“差”的隸屬度為4.6%，“一般”的隸屬度為16.3%，“好”的隸屬度為38.1%，“非常好”的隸屬度為35.8%。根據最大隸屬度原則，宋錦小花樓織機的數字復原效果為“好”。

4 結 語

宋錦小花樓織機數字化保護對于中國古代織機的文化遺產及其制作與織造技藝的非物質文化遺產的傳播具有重要的現實意義。本文以宋錦小花樓織機為研究對象，通過對宋錦小花樓織機的數據勘測，結合二維與三維的數字建模技術，實現了宋錦小花樓織機及其制作與織造技藝的數字化虛擬復原；通過構建宋錦小花樓織機的數字復原效果評價體系，運用AHP層次分析法與模糊綜合評價法相結合的方法對宋錦小花樓織機的數字復原效果進行綜合評價。研究方案為紡織文化遺產與非物質文化遺產的綜合性數字化保護及復原效果綜合評價提供了新的研究思路，使得世人更加直觀地了解中國的紡織文物及其傳統手工技藝的精湛，數字成果也可應用于實體博物館與虛擬數字博物館中，以進一步實現對于宋錦小花樓織機文物及其制作、織造技藝的有效保護與傳承。

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Digital virtual restoration and effect evaluation of Xiaohualou looms for Song brocade based on 3D technology

ZHANG Jinyu1， LI Hongyu1， ZHU Jianming2

（1.College of Textile amp; Clothing， Qingdao University， Qingdao 266000， China; 2.Suzhou Silk Museum， Suzhou 215000， China）

Abstract：The Xiaohualou loom for Song brocade， as a typical representative of ancient Chinese pattern-weaving looms with harnesses， carries rich historical， cultural， and artistic value. It is not only part of China’s textile cultural heritage， but its manufacturing and weaving techniques are also precious intangible cultural heritage of China. With the acceleration of modernization， the protection of the Song brocade Xiaohualou loom and its manufacturing and weaving techniques face severe challenges. Currently， research on the loom mainly focuses on literature records and physical preservation， lacking systematic digital restoration studies， which limits its digital inheritance and protection. Traditional preservation methods， while able to retain some information about the loom， cannot fully reproduce its complex structure and the manufacturing and weaving processes. Modern digital image processing technology has improved the current situation to some extent， but still falls short in dynamically simulating the weaving process and displaying fabric effects. Therefore， to better achieve digital preservation and dissemination of the Song brocade Xiaohualou loom and its manufacturing and weaving techniques， a digital virtual restoration method based on three-dimensional modeling technology was proposed.

First， field survey methods were employed to measure various data of the Song brocade Xiaohualou loom， and AUTO CAD software was utilized to draw its form， structure， and linkage mechanism. Next， Autodesk 3dsmax three-dimensional modeling technology was used for digital modeling of the loom and digital dynamic restoration of its manufacturing and weaving processes. Subsequently， VRay software was employed for material and scene rendering of the restored loom to enhance visual effects and realism. Finally， a comprehensive evaluation of the digital restoration results was conducted using a combination of AHP hierarchical analysis and fuzzy comprehensive evaluation methods. The digital dynamic restoration of the Song brocade Xiaohualou loom and its manufacturing and weaving techniques based on 3D technology can effectively address the challenges of digital preservation of cultural relics and the dissemination of ancient loom manufacturing and traditional weaving techniques. This method not only preserves precious cultural heritage but also showcases the essence of ancient weaving craftsmanship in a vivid and intuitive manner， allowing more people to understand and appreciate this traditional skill. Experimental results show that the membership degree of “very poor”， “poor”， “average”， “good” and “very good” for the digital restoration of the Song brocade Xiaohualou loom is 5.1%， 4.6%， 163%， 38.1% and 35.8%， respectively. According to the maximum membership principle， the digital restoration effect of the Song brocade Xiaohualou loom is “good”. This result indicates that the method has achieved significant success in restoring the loom， providing valuable reference for future digital preservation work of similar cultural relics. The digital restoration method presented in this paper can effectively complete high-precision digital restoration of the Song brocade Xiaohualou loom， while also more accurately reproducing the dynamic display of the loom and its manufacturing and weaving processes， further proving the reliability of this method.

The digitally restored Song brocade Xiaohualou loom presents a novel approach to the preservation and exhibition of traditional ancient looms， enabling the dissemination of their historical， cultural， and artistic value through more diverse channels. The research outcome will not only contribute to improving the quality of digital restoration of traditional ancient looms， but also offer a referenceable technical roadmap for their digital reconstruction.

Key words：3D digital technology; Xiaohualou loom for Song brocade; production techniques; weaving techniques; cultural heritage; intangible cultural heritage; digital preservation