基于3D技术的宋锦小花楼织机数字虚拟复原及效果评价

摘要：为了更好地实现宋锦小花楼织机及其制作技艺与织造技艺的数字化保护和传播，文章提出一种基于三维建模对宋锦小花楼织机的数字虚拟复原的方法。首先，运用实地调查法对宋锦小花楼织机各项数据进行实地勘测，并运用AUTO CAD软件对宋锦小花楼织机的形制、结构及联动机构进行绘制；其次，运用基于Autodesk 3dsmax 三维建模技术对该织机进行数字建模及其制作、织造工艺的数字化动态复原，并运用VRay软件对复原的宋锦小花楼织机进行材质及场景渲染；最后，将宋锦小花楼织机数字复原成果进行综合评价。基于3D技术对宋锦小花楼织机及其制作与织造工艺的数字动态复原，可以有效解决文物的数字化保护、古织机制作技艺与传统织造技艺传播的难题。结果表明，该方法可以完成宋锦小花楼织机及其制作与织造技术的高精度数字化复原，可以有效还原出宋锦小花楼织机及其制作与织造过程的动态展示，为纺织文化遗产与非物质文化遗产的数字化保护提供新的方法。

关键词：3D数字技术；宋锦小花楼织机；制作技艺；织造技艺；文化遗产；非物质文化遗产；数字化保护

中图分类号：TS941.26

文献标志码：A

文章编号：10017003（2025）01003010

DOI：10.3969 j.issn.1001-7003.2025.01.004

作者简介：张金宇（1999），男，硕士研究生，研究方向为非物质文化遗产数字化保护。通信作者：李鸿宇，讲师，硕导，lihongyu1915@163.com。

随着虚拟数字技术的发展，其在文化遗产与非物质文化遗产保护领域的应用正逐渐成为研究的热点。古织机作为中国古代纺织领域的一项伟大创造，展现了古代匠人千百年来的智慧结晶。宋锦小花楼织机及其制作与织造技艺的数字化复原，不仅有助于其长久保存，更有助于向大众展示古代纺织文化的精髓。目前有关纺织类数字复原的领域主要集中在传统服饰与纹饰领域，对于古织机及其制作、织造技艺的数字复原并未进行系统性的研究。如邓可卉等［1］对唐代“黄地夹缬絁袍”进行数字化复原与修复；谷雨珊等［2］对唐代红地团窠对鸟纹锦半臂进行数字化复原；祝超伦［3］等将“斜织机”的整体形制进行数字复原；秦小婷等［4］将新疆“艾德莱斯传统织机”的整体形制与织造原理进行数字复原 ；卢毅［5］等将南京“云锦大花楼织机”的整体形制与织造原理进行数字复原。由此可见，利用数字技术手段对纺织文化遗产进行数字化保护已成为重要的研究趋势。宋锦小花楼织机不仅作为织造工具，更是工匠精神与文化价值的历史承载者［6］。宋锦小花楼织机被陈列于各大博物馆与艺术展览中［7-8］，向大众传播纺织文化的魅力。运用数字技术手段对宋锦小花楼织机及其制作与织造技艺的数字化保护，对纺织文化遗产与非物质文化遗产的综合性保护具有重要现实意义。

1 宋锦小花楼织机结构分析

宋锦小花楼织机是中国纺织类文化遗产，其制作技艺与织造技艺更是中国宝贵的非物质文化遗产［9］。宋锦织物属中国传统丝制工艺品，与云锦、蜀锦、壮锦并称为中国四大名锦。宋锦小花楼提花织机是相沿制织的蜀锦提花织机，即束综提花织机［10］。美国弗利尔美术馆《摹楼璹蚕织图》中对于花楼织机的整体形制进行了描绘（图1），汉代文学家王逸曾在《机妇赋》［11］中对花楼提花织机作了较为全面的形象化描述：“……高楼双峙，下临清池。游鱼衔饵，瀺灂其陂。鹿卢并起，纤缴俱垂。宛若星图，屈伸推移。一往一来，匪劳匪疲……”

20世纪90年代，因当时生产宋锦手工牵花的花楼织机已经失传，苏州丝绸博物馆钱小萍根据《天工开物·乃服》所记载的花楼织机，按照宋锦织物的要求改制了宋锦花楼织机（图2）［10］。宋锦为双人织造，织机下方为织花工，织机上方为挽花工，也称拽花工。织花工在织造过程中需足踏脚竹，并进行投梭打纬；挽花工则在织机上方提拉纤线进行提花工序［12］。

宋锦小花楼织机作为中国古代束综提花织机的典型代表之一，该织机结构复杂且精密，不仅能够实现基本织造的功能，还能够完成复杂提花图案的制作［13］。宋锦小花楼织机的核心织造结构为织机五大基本运动，分别为开口运动、引纬运动、打纬运动、送经运动及卷曲运动。通过各运动之间的相互协调，以共同完成织造过程，如表1所示。

开口运动作为宋锦织造过程中的关键部分，由织花工控制综片开口与挽花工控制提拉纤线实现［14］。通过织花工与挽花工的协调配合，根据纹饰图案抬升综片与提拉纤线完成开口运动；引纬运动与打纬运动由织花工负责操作，将梭子往返投接在开口中进行引纬织造，并将新插入的纬线用竹筘进行打紧压实；送经运动为织造过程持续提供的经线；而卷取运动则是指将已织好的织物卷绕到局头部位。通过对宋锦小花楼织机制作结构与织造过程的深入分析，对纺织类文化遗产与非物质文化遗产的数字化保护与传承具有积极作用［15］。

2 宋锦小花楼织机数字复原法

宋锦小花楼织机数字复原法是指运用二维与三维数字技术手段对宋锦小花楼织机及其制作技艺与织造技艺的数字动态复原。通过数据搜集与模型建立确定宋锦小花楼织机的结构数据与制作流程，将数字复原后的宋锦小花楼织机进行材质配置与参数调试复原该织机的真实肌理，最后将宋锦小花楼织机的制作原理与织造原理进行三维数字动态复原，以达到对宋锦小花楼织机制作与织造工艺的系统性数字化保护。

2.1 数据搜集与模型建立

根据苏州丝绸博物馆原工艺部主任、中国古织机制作技艺非物质文化产传承人朱剑鸣专家所提供的宋锦小花楼织机（图3）及各部件名称、结构及装造方式，测量得出各部件结构尺寸等信息，通过对宋锦小花楼织机数据的搜集整理，确定宋锦小花楼织机的结构参数。

将搜集的宋锦小花楼织机各项数据进行整理，运用AUTO CAD软件对宋锦小花楼织机进行梳理并绘制宋锦小花楼织机结构（图4）。绘制完成后对宋锦小花楼织机文件以“.dwg”格式进行保存，以便进行下一步数字复原工作。

将上述文件导入Autodesk 3dsmax软件中，结合调研数据进行数字复原，并对上述文件进行冻结孤立，避免在数字复原过程中出现错误。根据前期调研分析，宋锦小花楼织机主要为榫卯结构，因此在数字复原的过程中采用“3D 动态捕捉”工具，以保证宋锦小花楼织机在数字复原的过程中使榫卯连接处能够精确吻合，组装完成如图5所示。

2.2 材质制作及参数调试

2.2.1 材质制作

经过实地调研与文献分析，宋锦小花楼织机主要材质为木质材质与竹质材质，因此制作该织机的木纹材质贴图、竹纹材质贴图及两种材质贴图的法线贴图，如图6所示。

2.2.2 参数调试

完成宋锦小花楼织机的材质贴图制作，运用VRay软件对宋锦小花楼织机的材质进行参数调试。通过调整上述两种材质的各项参数，可以使该织机在Autodesk 3dsmax中所表现出的材质更加真实且有光泽度，经过调试后得到的材质参数如表2、表3所示。

2.3 制作原理与织造原理数字动态复原

2.3.1 制作原理数字动态复原

宋锦小花楼织机制作原理的数字动态复原是运用Autodesk 3dsmax的帧序列技术将宋锦小花楼织机中各结构部件组装过程进行图像序列快速播放，使其能够将宋锦小花楼织机制作过程可视化。

首先，将宋锦小花楼织机数字复原模型按照各联动机构进行分类成组，主要分为机架结构组、投梭打纬组、地综开口组、花综开口组、花楼提花组与送经卷曲组等，以确保各组别按照预先设定入场顺序进行复原展示。

其次，确定宋锦小花楼织机帧序列长度，统计各组别入场时长与视角切换时长，根据统计结果制作各组别入场关键帧，并设定帧速率、帧数、开始时间和结束时间等关键参数。

最后，为能够更多维度地展示宋锦小花楼织机制作原理，在各组别中采用以X Y Z轴的关键帧制作，并制作各机构入场结束后总视角切换关键帧，使其能够呈现不同视角的动态效果，如图7所示。

2.3.2 织造原理数字动态复原

完成宋锦小花楼制作原理的数字复原后，对宋锦小花楼织机织造原理进行数字动态复原。在开始动态复原宋锦小花楼织造原理之前，须对制作原理数字复原文件备份，以避免制作原理与织造原理在数字动态复原的过程中产生关键帧序列冲突。备份后对织机各联动部分进行骨骼绑定并分类成组，以确保在施加力的过程中织机各结构部件产生联动效果。

1）地综开口是指织造宋锦时织花工所控制的伏综机构［16］。与大花楼织机地综开口部分原理相同，地综开口机构主要由脚竹、脚竹线、幛子、横竹杆、经线、吊综线及弓蓬（棚）等部件组成。

当织花工足踏脚竹时，脚竹α端作为轴心保持不变，脚竹β端向下运动；脚竹与脚竹线互为联动，当脚竹β端向下运动时，脚竹线同时向下运动；脚竹线与横竹杆互为联动，当脚竹线向下运动时，横竹杆同时向下运动；横竹杆与幛子互为联动，当横竹杆向下运动时，幛子同时向下运动；幛子与经线互为联动，当幛子向下运动时，经线向下运动从而形成地综开口；幛子与吊综线互为联动，当幛子向下运动时，吊综线同时向下运动；吊综线与弓蓬互为联动，当吊综线向下运动时，弓蓬两端同时向下运动。

因弓蓬结构具有弹性特点，当停止对上述各部件操作时，弓蓬γ部分则产生回弹力，使幛子现有的开口全部关闭，各部件恢复到初始位置，如图8所示。

2）花综开口是指织造宋锦时织花工所控制的起综机构。与大花楼织机花综开口部分原理相同，花综开口机构主要由脚竹、脚竹线、范子、横沿竹、经线、吊综线、虾须绳及城墙垛等部件组成。

当织花工足踏脚竹时，脚竹α端作为轴心保持不变，脚竹β端向下运动；脚竹与脚竹线互为联动，当脚竹β端向下运动时，脚竹线同时向下运动；脚竹线与横沿竹互为联动，当脚竹线向下运动时，横沿竹α端作为轴心保持不变，横沿竹β端向下运动；横沿竹β端与虾须绳互为联动，当横沿竹β端向下运动时，虾须绳同时向下运动；虾须绳与老鸦翅β端互为联动，当虾须绳向下运动时，老鸦翅β端向下运动；同时，城墙垛γ作为老鸦翅的支点，当老鸦翅β端向下运动时，老鸦翅α端向上运动；老鸦翅α端与吊综线互为联动，当老鸦翅α端向上运动时，吊综线向上运动；吊综线与范子互为联动，当吊综线向上运动时，范子同时向上运动，范子与经线互为联动，当范子向上运动时，经线同时向上运动从而形成开口。

当停止对上述各部件操作时，范子受重力影响向下运动，使范子中现有的开口全部关闭，各部件恢复到初始位置，如图9所示。

3）投梭打纬部分是指在织造宋锦时织花工所控制的引纬和打纬部分。与大花楼织机投梭打纬部分相似，投梭打纬机构主要由局头、狗脑、经线、梭子、筘、吊框线、撞杆、立人、立人盘及立人销等部件组成。其中，狗脑与局头互为固定；撞杆与立人销、立人互为固定；立人与立人盘互为固定；筘与吊框线、撞杆互为固定。

投梭 引纬：在操控幛子或操作范子时，经线会形成向下或向上的开口，梭子往返投接在开口的两侧，即投梭机构，如图10所示。

打纬：结束投梭后，运用打纬机构将织入的纬线进行打紧，以避免织物结构松散与纹样变形。其中，筘与吊框线、撞杆互为联动，当筘进行往复运动时，撞杆随筘进行往复运动；同时，吊框线α端保持不变，β端与γ端随筘进行往复运动；撞杆与立人、立人销互为联动，当撞杆进行往复运动时，立人α1与α2端与立人销位置保持不变，β端与γ端随撞杆进行往复运动；立人与立人盘互为联动，当立人β端与γ端进行往复运动时，立人盘与立人α1与α2端位置不变，如图11所示。

4）花楼开口部分是指在织造宋锦时挽花工控制的提花部分［17］。花楼开口部分主要由挂花筒、花本线、纤线、衢盘、衢脚、经线等部件组成。其中，挂花筒与纤线互为固定；纤线与经线、花本线、衢脚互为固定；衢盘固定在两侧楼柱之间负责分隔纤线。

进行拽花工序时，将结绑的花本线进行梳理，把需要提花的花本线从花本中分离，并通过牵拉花本线得到本次需要提花的纤线。当挽花工向后拉动本次需要提花的纤线时，纤线向上运动；纤线与经线互为联动，当纤线向上运动时，经线同时向上运动形成提花开口；纤线与衢脚互为固定，纤线向上运动时，衢脚同时向上运动。

当停止对上述各部件操作时，衢脚受重力影响向下运动，使现有的提花开口全部关闭，除使用过的花本线进入下一次循环外，各部件恢复到初始位置，如图12所示。

2.4 宋锦小花楼织机数字复原效果

经上述对宋锦小花楼织机的组装、材质参数调试、制作原理及织造原理数字化复原，运用VRay软件对宋锦小花楼织机进行渲染。渲染后的宋锦小花楼织机其整体形制与细节得以精确展现，并能从不同角度观察到织机的全貌。通过材质与光影效果的调试，使得原本黯然无光的织机变得焕然一新，呈现真实的材质质感，从而实现宋锦小花楼织机的“数字重生”。此外，经过数字复原后的宋锦小花楼织机不仅能够呈现更为丰富的结构与细节，并通过制作原理与织造原理的数字复原，能够更为直观地观察到宋锦小花楼织机的织造过程，使大众能够更加真实、全面地了解与体验宋锦小花楼织机的独特魅力，如图13所示。

3 宋锦小花楼织机的数字复原效果评价

宋锦小花楼织机的数字复原效果评价采用AHP层次分析法与模糊综合评价法相结合的评价方法，以评价数字复原成果的准确性与优劣性。通过运用AHP层次分析法对各项评价指标进行计算得出权重结果，并将结果进行一致性检验，验证权重结果的准确性与可靠性［18］。最后将各项指标的权重结果与模糊综合评价法结合，根据最大隶属度原则确定数字复原成果的优劣。通过建立数字复原效果评价体系，确保宋锦小花楼织机数字复原成果与实物宋锦小花楼织机保持一致。

3.1 评价指标体系建立

目前针对古织机数字化的效果评价并没有统一的标准，因此根据古织机复原过程中须着重考虑其整体形制、细部结构、材质复原与修复及工作原理等因素，基于上述因素构建古织机数字复原评价指标体系。依据AHP层次分析法，将古织机数字复原分为目标层U与指标层u，如表4所示。

3.2 确定指标权重

运用AHP层次分析法对上述指标层进行指标权重计算。评价指标体系中的指标层对宋锦小花楼织机的数字复原效果的影响程度不同，需通过计算得出宋锦小花楼织机数字复原效果各指标层权重系数。

3.3 构建判断矩阵

采用专家赋值的方式，邀请5位熟悉古织机制作与复原领域的专家对古织机数字复原效果的各项指标重要度进行赋值。赋值越大，则代表该指标的权重系数越大；赋值越小，则代表该指标的权重系数越小。统计整理各专家的重要度赋分结果，构建判断矩阵B。Bi是指标下（i1， i2， i3， i4）每2个指标两两对比得到的判断矩阵，经过5位专家对指标层进行重要度赋分，得到的判断矩阵如下：

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 计算各指标权重系数

查表得到各项指标集成权重系数（A）。根据权重系数的结果确定权重顺序，排序结果为u1、u4、u2、u3，具体各指标权重系数如表5所示，随机一致性指标RI如表6所示。

3.5 一致性检验

在对指标进行两两比较时可能会出现不一致的结论，因此有必要对各判断矩阵进行一致性检验，如下式所示。

λmax=∑mi=1Awwm（1）

CI=（λmax-m）（m-1）（2）

CR=CIRIlt;0.1（3）

式中：λmax为最大特征根；w为各指标按列归一化后的算数平均值；Aw为各指标权重值；m为指标个数；CI为一致性指标；CR为检验系数；RI为平均随机一致性指标。

以指标层判断矩阵B1为例，查表得到B1指标中λmax=4.03， CI=0.01，已知RI=0.89，CR=0.011 5lt;0.1，通过一致性测验。根据以上方法计算，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，均通过一致性检验。

3.6 模糊综合评价

根据宋锦小花楼织机的数字复原效果评价指标体系，设定宋锦小花楼织机数字复原效果评价集。采用五级标准尺度V=［ v1，v2，v3，v4，v5］=［非常差，差，一般，好，非常好］［19］。以问卷调查的方式对宋锦小花楼织机的各项复原指标进行评价。所采集的数据经过整理［20］，得到宋锦小花楼织机的数字复原效果评价，如表7所示。

根据表7所得到的数据，得到评价矩阵如下：

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 计算模糊综合评价

根据模糊评价理论，将对应评价层的权重向量和模糊评价矩阵进行综合，即可得到模糊综合评价结果［21］。由公式Z=A·R计算得到：

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］

根据宋锦小花楼织机数字复原效果评价体系，复原效果指标分为非常差、差、好、一般、非常好。通过计算模糊综合评价矩阵Z可得出，“非常差”的隶属度为5.1%，“差”的隶属度为4.6%，“一般”的隶属度为16.3%，“好”的隶属度为38.1%，“非常好”的隶属度为35.8%。根据最大隶属度原则，宋锦小花楼织机的数字复原效果为“好”。

4 结 语

宋锦小花楼织机数字化保护对于中国古代织机的文化遗产及其制作与织造技艺的非物质文化遗产的传播具有重要的现实意义。本文以宋锦小花楼织机为研究对象，通过对宋锦小花楼织机的数据勘测，结合二维与三维的数字建模技术，实现了宋锦小花楼织机及其制作与织造技艺的数字化虚拟复原；通过构建宋锦小花楼织机的数字复原效果评价体系，运用AHP层次分析法与模糊综合评价法相结合的方法对宋锦小花楼织机的数字复原效果进行综合评价。研究方案为纺织文化遗产与非物质文化遗产的综合性数字化保护及复原效果综合评价提供了新的研究思路，使得世人更加直观地了解中国的纺织文物及其传统手工技艺的精湛，数字成果也可应用于实体博物馆与虚拟数字博物馆中，以进一步实现对于宋锦小花楼织机文物及其制作、织造技艺的有效保护与传承。

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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