中文名称：三渲二、卡通渲染、卡通着色
英语名称：Toon Shading、3D-to-2D Rendering
别名：Cel Shader、Cartoon Shader（早期软件与技术文档用语）；NPR （Non-Photorealistic Rendering）
领域：3D计算机图形（3DCG）、动画制作、游戏图形
核心用途：用 3D 模型和灯光，渲染出二维手绘动画风格的画面 —— “看上去像 2D，实际上是 3D”。
核心定义（What is Toon Shading?）
- 三渲二（三维渲染为二维视觉效果）是一类图形技术与制作方法的总称，用三维模型、三维动画和三维灯光，通过特殊的着色和线条处理，生成具有：
- 明确轮廓线（Outlines / Ink Lines）
- 大块平涂色（Flat Colors / Quantized Shading）
- 接近赛璐璐上色的高反差明暗
- 甚至带“笔触感”的纹理
- 的画面，模仿传统 2D 手绘动画或漫画/插画的视觉风格。
- 它既是一种算法，也是一整套美术与生产管线：用 3D 的“可控镜头与空间”，去服务 2D 的“造型和节奏”。
技术里程碑（Milestone Timeline）
1980s–1990s｜非真实感渲染（NPR）的理论起点
- 计算机图形领域开始从“照片级真实感渲染”拓展到风格化渲染。
- 研究重点包括：轮廓线提取、区域平涂、光照量化、线条风格化等。
- 为后来的 Toon Shader 提供数学和算法基础。
1990s 后期｜Toon Shader 算法成型
- 学界与工业界提出“Cartoon Shading / Cel Shading”概念，
- 通过 量化光照 + 轮廓线检测，实现卡通风的 3D 渲染。
- 主要引入到 Maya、Softimage、3ds Max 等 DCC 软件中作为专用 Shader。
2000–2005｜游戏与动画中首次大规模应用
- 家用主机与街机开始大量采用 Toon Shading 来实现“漫画／动画风游戏”。
- 日本 TV 动画和 OVA 开始在机械、车辆、复杂场景中使用三渲二做辅助。
2005 以后｜长篇动画与剧场版级别的应用
- 日本 3DCG 工作室（Polygon Pictures、Sanzigen 等）
- 开始制作全 3D 的“2D 风”长篇动画。
- 游戏与影视跨界项目大量采用 Toon Shading 做统一风格。
2010s–2020s｜实时引擎与混合管线成熟
- Unity、Unreal Engine 内置 Toon Shader 或 NPR 渲染管线。
- Blender 的 Freestyle 线条系统成熟，支持大量 NPR 动画项目。
- 三渲二不再是“小众实验”，而是主流 ACG 项目中的常规选项。
核心技术要点（How It Works）
光照量化（Quantized / Step Lighting）
- 将传统光照计算结果“分段”，比如只保留：
- 纯亮
- 中间调
- 纯暗
- 让物体看起来像被简化成“动画平涂块”。
轮廓线提取（Outlines / Ink Lines）
- 常用方法：
- 根据法线方向和视线方向计算轮廓（Silhouette Edges）
- 根据深度差或法线差提取物体边缘
- 然后给边缘加粗、变形，产生“勾线”的感觉。
区域平涂与色阶控制
- 为了接近赛璐璐上色，通常只使用 2～3 级明暗色块，配合手工调色的“色键”（Color Key）。
纹理风格化（Stylized Texturing）
- 加入纸纹、笔触、水彩等，让“数字渲染”更接近手绘画面。
2D/3D 混合管线
- 模型、绑定、动画：完全 3D
- 上色与线条：Toon Shader＋后期线条渲染
- 合成：与手绘背景、2D 特效镜头混合
代表性案例（Representative Works）
🎮《Jet Set Radio》（喷射广播，2000）
- 早期最具代表性的 Toon Shading 游戏之一，涂鸦＋街头文化＋卡通渲染，
- 奠定“游戏也可以长得像动画片”的审美范式。
🎮《The Legend of Zelda: The Wind Waker》（塞尔达传说：风之杖，2002）
- 以 cel shading 实现明亮、干净的卡通海洋世界，初期争议、后被誉为 toon shading 经典。
🎮《Ōkami》（大神，2006）
- 虽然更偏水墨风 NPR，但其轮廓线与平涂阴影也是 toon shading 思路的延伸。
🎮《Guilty Gear Xrd》系列（2014–）
- Arc System Works 利用三渲二做出“看起来像 2D 手绘格斗”的 3D 游戏，
- 在动作演出与镜头调度上极具代表性。
🎮《Dragon Quest XI》《Ni no Kuni》系列
- 使用三渲二实现 JRPG 的“动漫式”角色风格。
🪄《希德尼娅的骑士》《亚人》《乐园追放》等 3DCG 动画作品
- 全 3D 建模，但通过 Toon Shading 和线条渲染，尽量接近传统 2D 观感。
🪄 部分长篇动画中的机械、车辆场景
- 大量机器人、舰船、车辆镜头使用 3D＋卡通渲染辅助，
- 再合成到 2D 角色画面中
部分非真实感长片
- 虽然风格各异，但不少作品在边线与色块处理上采用 toon shader 思路，
- 如部分欧洲 3D 动画片、独立 NPR 动画片。
实时引擎短片与虚拟制作
- 使用 Unreal / Unity 的 NPR 管线实现“动画片质感”的实时渲染，
- 在虚拟拍摄与 previz 中逐渐流行。
参考资料
- Gooch, B. & Gooch, A. Non-Photorealistic Rendering. A K Peters, 2001.
- SIGGRAPH & Eurographics NPR 相关课程资料、论文集（如 “Stylized Rendering Techniques” 等）。
- 游戏开发者大会（GDC）公开演讲：
- 《Guilty Gear Xrd: The X Factor Between 2D and 3D》
- 《The Wind Waker: Art and Technology of Cel Shading》。
- Blender Freestyle / NPR 官方文档（关于线条渲染与风格化阴影）。
- Unity / Unreal Engine 官方 Toon Shading/NPR 示例项目与技术文档。
