トゥーンシェーディング技術の発展──アニメから始まりアニメを超えて──
The Toon Shader for Anime and Beyond

安生健一

トゥーンシェーディングとは，三次元 CG（Computer Graphics）で表される表示対象に対して手描きアニメ風の陰影付けをすることを意味する．手描きアニメの中に三次元モデルを違和感なく登場させるために必須となる表現である．本
稿では，まずトゥーンシェーディングに関する基本的な考え方と歴史，更には実用上の問題点と解決事例について述べる．トゥーンシェーディング及び関連する技術の進化や多様化についても，昨今の GPU 及び深層学習的アプローチを用いた 2，3 の事例とともに考察する．
キーワード：三次元 CG，トゥーンシェーディング，GPU，ディジタルアニメーション

1．はじめにトゥーンシェーディング（Toon Shading）とは，三2．トゥーンシェーディングの発展
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原義次元形状モデルに対して，あたかも手描きアニメで描か三次元物体上の点 p での輝度値を求める方法はいろれたような陰影を与えること，またはその技術や手法のいろあるが，拡散反射，つまりその点からの反射光が一ことを意味する．一般的には，映画・テレビ・ゲーム等様に広がる場合を考える．シンプルな計算方法としてラのエンターテイメント分野で用いられる技術として知らンバートの拡散モデルがある．すなわち，点 p の輝度れている．しかしそもそものニーズは，それに限るもの値を，点 p から光源に向かう単位ベクトルと点 p におではない．また，昨今の GPU の急速な性能向上と用途ける外向きの単位法線ベクトルの内積値に比例する，と拡大の潮流の中で，トゥーンシェーディングのリアルタして求める．図 1(ａ)は，三次元 CG キャラクタの顔のイム応用や深層学習を援用した進化も見られる．
このような状況を鑑み，本稿では，トゥーンシェーディングあるいはスタイライズドシェーディング（様式化された陰影付け：Stylized Shading）と呼ばれる技術がどのように生まれ，進化してきたかについて，2，3の産業応用とともに解説する．
なお一般的な CG 用語として，シェーディングは表示される物体の各頂点での色情報を求めることである．レンダリングは，表示される三次元シーンの情報から表示スクリーンの各画素の色情報を求める一連の処理のことを指している．

安生健一 (株)オー・エル・エム・デジタル
E‑mail anjyo@olm co jp
Ken ANJYO Nonmember (OLM Digital Inc Tokyo 154‑0023 Japan)

電子情報通信学会誌

Vol 107 No 2 pp 167‑172 2024 年 2 月©2024 電子情報通信学会

解説

図 1 トゥーンシェーディングの原理
物体表面の輝度分布を 2値化して明部と暗部を定め，手描きアニメ風の陰影付けを行う．

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上を p が動いたときのこの輝度値の分布を表している．
この図では，輝度分布を 0 から 1 に至る連続的な値として表し，0 に近いほど光源の影響が少ない，すなわち「暗い」ということを意味し，同図では黒っぽく表示されている．1 0 に近い値を取るところでは白っぽく表している．物体表面の陰影は本来連続的に変化するが，輝度値を明部と暗部の二通りに分ける，すなわち化2値することを考える．そのために輝度値を基にして得られる 2 値化した陰影画像が図 1(ｂ)である．更にしきい値を複数導入すればよりきめの細かい陰影付けができる．このようにして得られた画像は手描きアニメでよく見られる陰影付け（シェーディング：Shading）に対応する効果を生み出す．このようにしきい値を用いた陰影付けはトゥーンシェーディングの典型的な手法である．
なおトゥーンシェーディングという言葉の定義に定説（a）フォンシェーディングによる画像

はな く，現 在 で はディジタルアニメ作品に使わ れ るシェーディング全般のことを意味している．
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トゥーンシェーディングからスタイライズドレンダリングへ（b）輪郭線の付与、及び色相を暖色系から冷色系に展開して見やすくした

図 2 三次元モデルのテクニカルイラストレーション(ａ)がオリジナルの三次元形状モデルを通常のフォンシェーディングを用いて表示したもの．(ｂ)は輝度分布の広がりを単なる明暗とせず，暖色系から冷色系に変更して見やすくした．ハイライトは(ａ)と(ｂ)で共通していて三次元的なリアリティを残す．

ところで図 1(ｂ)をよく見るとキャラクタの輪郭線や頬のえくぼ（？）の位置に黒い線が描かれている．特に日本の手描きアニメではこのような輪郭線・特徴線の描果としてメタリックな陰影や暖色系から寒色系への色相画が好まれている．図 1(ｂ)の三次元キャラクタは，変化を実現し，形状の把握しやすさを増すことに成功しトゥーンシェーディングにより平たんな顔立ちになるている．

が，これらの特徴線を追加することで顔をより詳しくあなお G バッファは，GPU を駆使した遅延レンダリンるいはより魅力的に表現できるようになる．このようなグ (5)（Deferred Rendering）等のよりリアルな表現体系

表 現 は 様 式 化 さ れ た レ ン ダ リ ン グ（Stylized Render-にも威力を発揮する．

ing），あるいはより一般的に，非写実的レンダリング（Non‑photorealistic Rendering）(1)と呼ばれている．
アニメの世界とは異なるが，工業製品の説明図でも，3．ディジタルアニメとトゥーンシェーダ

配色は単純化し，輪郭線や特徴は強調して描画すること

1990 年代のアニメ制作の観点から言うと，トゥーンがある．これは CAD（Computer Aided Design）の実

シェーダはアニメ表現の多様化と効率化の両方に大きく用化やディジタルアニメよりずっと前から，テクニカル貢献するだろうと期待されていた．ただし，トゥーンイラストの分野でよく用いられてきた (2)．この分野におシェーディングによって三次元モデルが見た目は手書きいても三次元 CG を用いた表現手法が有効である．先駆風になったとしても，二次元の手描きアニメとうまくな的 研 究 は 幾 つ か あ る が，特 に G バ ッ フ ァ 法（G‑じませる必要があった．このなじませ方が実用化に向け(3)buffer） がその後の研究をけん引した．三次元 CG の表た最初の課題であった．以下では三次元 CG がどのよう示技術としては，z バッファ法が基本である．z バッにしてアニメ作品の制作へ取り入れられ，現在の多様なファ法では，表示スクリーンの各画素に投影される各表作品作りにつながったかを振り返る．

示物体の ID と深さ情報を更新しながら蓄える．この深さ情報に加えて，当該物体の法線情報などの幾何学的情31報を蓄えたものが G バッファである．これによって先述のように，トゥーンシェーディングによって手描シェーディング処理を画素ごとの計算として分離し，効きアニメ風の三次元キャラクタが作れる．そうすると見率的に行えるようになる．例えば輪郭線抽出も併せて行

た目は手描き風でも，動きやカメラは三次元 CG の世界

えば，テクニカルイラストで見られるような強調表示がで制御できるので，自由度は格段に高くなり，手描きア可能となる．その後の技術発展の中で，テクニカルイラニメでは困難な表現が（比較的）容易に得られる．例えストにより特化した手法 (4)も登場した．適用例を図 2 にば，カメラがキャラクタに焦点を合わせながら，キャラ示す．この手法では，言わばフェイクなライティング効クタの回りを一周する，といったことは手描きではかな

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2D/3D のハイブリッドアニメ

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り 困 難 だ が，三 次 元 の 世 界 で は 容 易 で あ る．し か し1990 年代の多くの制作会社は，全てのキャラクタや背景を三次元 CG で作ることは想定せず，手描き（2D）と三次元 CG（3D）とを組み合わせて作るハイブリッドアニメ制作を目標としていた．あくまでルックは手描き風で作るのがアニメ作品だったわけである．一方，ピクサは独自の路線を歩み，フル（3D）CG 映画「トイストーリー」(注1)を 1995 年に劇場公開した．
1999 年は本格的な劇場版ハイブリッドアニメ作品が公開されたという意味でエポックメーキングな年であった．具体的には，ディズニーの映画「Tarzan（邦題：タ ー ザ ン）」(注2)，ワ ー ナ ー・ブ ラ ザ ー ズ の 映 画「TheIron Giant（アイアンジャイアント）」(注3)，そして東宝／
ワ ー ナ ー・ブ ラ ザ ー ズ の 映 画「Pokémon the FirstMovie」(注4)の 3 作品である．それぞれの作品で，ハイブリッドアニメを実現するための独自の技術的工夫があった．例えば「Pokémon」では一部の背景を三次元 CG を（a）しきい値処理による陰影（b）（a）に加筆修正後の陰影

図 3 トゥーンシェーディングの問題と解決例(ａ)ではしきい値処理のみで陰影付けしているので，アニメの演出には不十分である．(ｂ)は Shade Painter による編集結果を示す．頬の丸みを強調するような暗部の修正（図中の黄緑矢印）やフェイクシャドウ（緑矢印）がペイント処理で追加され，かつアニメーションに反映される．

用いて表現し，手描き表現ではなし得ないダイナミックなカメラワークを実現した．
「アイアンジャイアント」
はロボットが主役であり，ソリッドな動きを表すために321

三次元ポリゴンモデルで表された．他の人物キャラクタ

図 1 ではトゥーンシェーディングの原理を示したが，や背景はほぼ手描きであった．3 作品ともハイブリッド

これをハイブリッドアニメに適用するには実は幾つか問とはいえ手描きアニメを補強する形で三次元 CG を取り題がある．例えば単純にしきい値を用いただけでは，図入れていた．実は先のなじみの問題も含め試行錯誤を繰

3(ａ)のような陰影ができてしまう．右目の一部（同図り返しての作品制作であった．その後の変遷を経て，今の青矢印で示されるエリア）が暗くなったり，右の頬の日のディジタルアニメ作品は，ディズニー映画のような辺り（同図黄緑矢印）の陰影の境界線がストレートにな

スタイライズドレンダリングによるフル CG 作品と，日り頬のふっくら感が出ていない．これらは三次元モデル

本の作品に見られるように手描き主体のハイブリッドアの幾何的な情報から「正確に」しきい値処理をした結果ニメを両極とし，様々なバリエーションを迎えることとである．いくら物理的に正しくとも，アニメには不適切なった．

であると言える．アニメの陰影にはフェイクが多く用いハイブリッドアニメの陰影表現られ，それが演出効果としてとても重要なのである．つ32

ディジタルアニメーションの表現技術

まり陰影をアーティストのセンスで実現できることが望上述のように僅か 20 年ほどの間にアニメ作品は多様ましい．このような柔軟な編集作業を実現する方法の一化したが，それには CG 技術の高度化が大きく貢献してつに Shade Painter がある (6)．図 3(ｂ)は Shade Painterいる．高度化にあたっての技術課題は大きく分けて表現によって編集したキーフレームだが，目の部分は明る技法に関する課題と，ワークフローの効率化に関するもく，左頬は盛り上がって見えるように明暗を修正，更にのとに分けられる．もちろん相互に深く関係する場合も右頬（同図緑矢印）にはフェイクな暗部を足している．

あるので，課題解決にはどちらの視点も重要である．

本手法では，デフォルトとして図 3(ａ)に示したような

本節では主にハイブリッドアニメと手描きのディジタ

従来のトゥーンシェーディングによるアニメーションをルアニメ表現に関する具体的な技術課題と解決事例を示入力とし，キーフレームと呼ばれる重要なフレームでペす．

イント処理して編集し，それを基にキーフレーム補間で最終的なアニメーションを得る．その場合の補間は，編集後の輝度分布に関するもので RBF（動径基底関数）を用いている．

(注 1) https://www disney co jp/fc/toystory（2023 年 12 月確認）
(注 2) https://www disney co jp/studio/animation/0612（2023 年 12 月確認）
(注 3) https://eiga com/movie/85543/（2023 年 12 月確認）
(注 4) https://youtu be/hX‑NHafvY5I? si=wCGiZ̲5MQQGvYrcN（2023年 12 月確認）

解説

ところで CG 研究においてはいわゆる ill posed な問題を扱うことが多い．ゆえに後述の深層学習アプローチも有効だが，様々な数学的発想や手法も問題解決に貢献している (7)．Shade Painter における RBF 補間はその一例である．

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（a）しきい値処理による単純なハイライト
図 4 ハイライトアニメーションの作成ンできる．

322

（b）
望ましいハイライト（c）複雑なハイライトの生成例

手続き型手法によって，アニメ風のハイライトの形と動き(ｂ)(ｃ)がデザイ

323

ハイブリッドアニメのハイライト表現

手描きアニメのディジタル化

ハイブリッドアニメのハイライトにも工夫が必要であ

前項まではハイブリッドアニメを念頭に述べてきたる．図 4 では，三次元モデルで作られた自動車の上にアが，伝統的な手描きアニメも多くの制作会社で制作工程ニメ風のハイライトが付加されている．図 4(ａ)，(ｂ)がディジタル化され，全フレームがディジタル画像としでは，車の正面の窓にグレーで示されているのがハイラて処理されている．ディジタル化による表現力の向上もイト領域である．図 4(ａ)では 2 1 の場合と同様に，ブ期待されているが，特にワークフローの効率化が切望さリンのモデルと呼ばれるハイライト計算式を導入し，それている．

のしきい値処理によりハイライト領域を定めている．し本項では，制作効率を上げるための研究例として，手かしこれはアニメらしくない．窓の大部分が，単に薄い描きアニメの自動彩色処理を紹介する．これは既述のア青色に塗り込まれたように見えている．アニメに親しんプローチと異なり，完全に二次元の手描きアニメに関すでいる方ならお気付きと思うが，アニメにおける窓のハる研究である．

イライトとは厳密にはハイライトではなく，窓に何かが手描きアニメの彩色処理は，（）色付けしたいフ映り込んでいる様子を「記号化」して表してハイライトレームのキャラクタの線画とカラーパレットが与えらと呼んでいるのである．例えば図 4(ｂ)のように，ストれ，（ライプ型の（記号的な）ハイライトで二つの帯が並行に分領域に，カラーパレットにある色を割り振る，という）与えられた線画で囲まれるキャラクタの各部並んで描かれたりするのである．しかも，これは視点の作業である．ここでカラーパレットとは，キャラクタや変化に合わせて動かなければならない．1 フレームずつ小物などの物体ごとに定義される色見本から定義されテクスチャとして描き込む方法もあるが，労力がかかりる．つまりキャラクタの線画は，キャラクタを単色で塗すぎてしまう．アニメらしいハイライトを時間方向にもられる部分領域の境界線の集まりとして表されているこ違和感なく作れるかが課題である．とになる．なお映像業界では，単色で塗られた領域のこ(8)とをベタ塗りされた領域ということがある．例えば図 5がある．本手法は関数型モデルを採用しているが，図 4の点線枠内において，上段が指定されたキャラクタの線(ｂ)のハイライトも簡単なパラメータ設定で容易に構成画，下段はその線画に基づいた人手による彩色結果が示できる．また Shade Painter のときと同様に，各キーフされている．

この問題を解決する手段の一つに Highlight Shader

レームでアーティストがハイライト形状を編集し，ハイこの作業は煩雑な手作業であるため，従来から効率化

ライトのキーフレームアニメーションが作れる．High-が切望されていた．彩色処理は理想的には 100% 自動化

light Shader は表示対象の幾何情報も考慮した関数型モしたいが，作業者の修正作業がなるべく少なくなるようデルなので，図 4(ｃ)のような複雑なハイライトも生成な半自動化を目指すのが現実的なゴールであると考えらできる．

れる．ここでは産学協同研究プロジェクトとして推進さHighlight Shader も Shade Painter も GPU を活用したれている Few‑shot Learning に基づくアプローチ (10) を編集機能を持ち，商業作品の中で使用された．しかし概観する．このアプローチの技術的なポイントは，実写アーティストの作業を支援するツールとしてはまだ多くビデオ映像のスタイル変換のためのパッチベース学習の課題が残っている．例えば，ゲーム応用を念頭に，高法 (11) をアニメのようなベタ塗り彩色手法へと拡張した

精細高解像度のリアルタイムキャラクタをどのように表点である．技術の詳細は原論文 (12)を参照されたい．

現・編集すべきかという問題がある．これに対する解決(9)策も模索され始めている ．
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図 5 では，2 種類のキャラクタについての彩色結果を例示している．この例では，各キャラクタに対し僅か二電子情報通信学会誌 Vol 107 No 2 2024

図 5 手描きアニメの彩色処理に関する深層学習アプローチ
上下にタイプの違うキャラクタを例示した．点線枠内では，入力される線画と手作業によって得られた彩色結果を示している．上段と下段それぞれの場合に，二つの学習データ（2 種類の点線枠内の事例）のみから学習している．点線枠なしの線画は新たな入力線画，その下の彩色画像はそれに対する本アプローチの結果である．おおむね良好な結果であるが，局所的に不自然な結果もある．例えば下段の点線枠内のキャラクタが右手に持っている黒いペンは新たな線画入力では背景のボディ色である赤になる場合がある．（©OLM Asia SDN BHD）

つのサンプル（点線枠で囲まれた線画と彩色画像）から「ス パ イ ダ ー バ ー ス（Spier‑Verse）」シ リ ー ズ（2019

点線枠外にある線画を彩色するために必要なモデルを 1

年，2023 年）は，特筆すべき作品である．

分半程度で学習し，彩色結果（点線枠外の線画の下段の制作にあたっては様々なツール開発があった．例えば画像）を得る．図 5 に示された学習データとは異なる 32019 年 の 映 画 第 一 作「Spider‑Man : Into the Spider‑

種類の線画（点線枠のない線画）に対し，本アプローチ

Verse」(注5)において，アメリカンコミックで重要視されにより得られる彩色結果を，それぞれの線画の下に示る輪郭線の強調表現がアニメの世界に引き継がれた．3．

す．一見すると良好な結果のようだが，局所的には色塗で述べたことと同様に，輪郭線の時間方向の変化をどうりの結果が望ましくないものがある．

制御するかが技術的課題となった．
「スパイダーバース」

他の多数の事例についてもこのアプローチを試したシリーズの場合は，深層学習を基にした「初期値」がが，手作業で作成した彩色結果と比較して求めた正解率アーティストに提示され，必要に応じてアーティストがは平均して 6 割から 7 割となった．この正解率が妥当か三次元モデルに直接加筆するというワークフローで実現どうかは評価の分かれるところであるが，本研究プロされた．学習にあたっては各キャラクタに対し，その表ジェクトに参画した映像制作会社では，本手法から得ら情・動きを想定して 600 フレームほどの学習データを用れる画像を「初期値」として適宜修正するというワーク意し，scikit‑learn の Gradient‑Boosting Regressor を用フローにより約 20% の効率化が得られた．

いて学習した (13)．なお輪郭線データは UV 空間（三次元キャラクタの幾何情報を局所的に平面上に展開したも324

ディジタルアニメの多様性と可能性

再び三次元モデルを用いたディジタルアニメに戻る．の）上で扱っている．以上述べた輪郭線制御手法は，ワークフローの効率化を図るという意味で有効であった．

北米やヨーロッパのディジタルアニメも多様化している．とりわけアメリカンコミックの表現をアニメーションの世界にまで押し広げたソニー・ピクチャーズの映画解説(注 5) https://youtu be/g4Hbz2jLxvQ? si=oDkqswdoTHrJV7l5 （2023
年 12 月確認）

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4．おわりに─アニメを超えて─
()三次元キャラクタの今後の活用を考えてみる．映画やゲームはもちろんであるが，ライブエンターテイメント( )( )での本物の人間との共演や，リアルなディジタル環境空間，例えばディジタルツインと呼ばれる世界に登場するアバターとしてのニーズは増加するであろう．

()

トゥーンシェーディングは三次元キャラクタの表示手法として活用されているが，上記のニーズや応用を想定
すると更に進化すると思われる．本稿では，深層学習が

(10)
(11)

ディジタルアニメーションのワークフローの「効率化」に有効である事例を述べた．これからの深層学習は，キャラクタやアニメの「新しい表現」を引き出せるだろうか？

(12)

より基本的なこととして，今日の細分化した技術群を考えると，技術者とアーティストによる本格的な(13)協働が切望される．
文()

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http://download nvidia com/developer/presentations/2004/6800_Leagues/6800_Leagues_Deferred_Shading pdf
H. Todo, K. Anjyo, W. Baxter, and T. Igarashi, “Locally controllable
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https://tech.imagicagroup.co.jp/res/5733/
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Chai, S. Tulyakov, and D. Sýkora, “Interactive video stylization using
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献

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S. Hargreaves and M. Harris, Deferred shading (slides).

(2023 年 8 月 31 日受付)

安 生 健一オ ー・エ ル・エ ム・デ ジ タ ル 技 術 顧 問，
IMAGICA GROUP プ リ ン シ パ ル リ サ ーチャー，Victoria University of Wellington 非常
勤教授．CG の研究開発と実用化に従事．博士（工学）．平 26 年度文部科学大臣表彰科学技術賞 受 賞．著 書「CG は 数 学 で で き て い る」（著），「3DCG アニメーション」（共著）など．

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電子情報通信学会誌 Vol 107 No 2 2024