그림자

햇빛에 비친 그림자

그림자(shadow)는 물체가 빛을 가려서 그 물체의 뒷면에 드리워지는 검은 그늘을 말한다.

개요

투명한 물체와 불투명한 물체의 그림자

반그림자와 본그림자

빛은 공기나 물과 같은 한 물질 안에서 나아갈 때에 직선으로 곧게 나아간다. 구름 사이로 나오는 햇빛이나 동굴 틈으로 비친 빛을 보면 빛이 공기 중에서 곧게 나아간다는 것을 알 수 있다. 빛이 나아가는 길에 불투명한 물체가 있을 때 빛의 직진하는 성질 때문에 물체에 빛이 다 통과하지 못하고 반사되거나 흡수되어 버린다. 그래서 물체의 뒷면은 빛이 닿지 못한 부분이 생기게 된다. 이 부분은 그늘이 져 깜깜하게 보이는데 이 어두운 부분을 그림자라고 한다. 유의어로 음영(陰影)이라고도 한다. 다만, 물체 가장자리의 빛은 회절(回折) 하는 성질이 있어 약간 밝은 부분이 생기는데, 비교적 밝은 그림자는 반그림자, 빛이 닿지 않는 어두운 그림자는 본그림자라고 부른다.

그림자를 잘 보면 물체에 따라서 검고 뚜렷하게 보이는 그림자도 있고, 엷어서 거의 그림자 지지 않은 것처럼 보이는 것도 있다. 어떤 물체는 빛이 통과하기 때문에, 그림자가 거의 생기지 않고 물체를 사이에 두고 물체를 통해 다른 사물을 보았을 때 사물이 잘 보이게 되는데, 이러한 물체를 투명한 물체라고 부릅니다. 반면에, 불투명한 물체는 빛이 통과하지 못하기 때문에 그 물체를 통해 다른 사물을 잘 볼 수 없다. 일반적으로 유리, 물, 투명 비닐은 투명하다 하고 나무, 종이 천, 플라스틱은 불투명하다고 한다.

그림자를 만들 때 빛을 내는 광원의 크기가 아주 작으면 매우 선명한 그림자가 생긴다. 광원에서 나오는 빛이 물체에 의해 모두 가려지기 때문이다. 하지만 광원의 크기가 클 때는 불투명한 물체라도 그림자의 진하기가 부분적으로 달라진다. 이것은 광원에서 나오는 빛이 여러 방향으로 퍼져 나가 각각 그림자를 만들기 때문이다. 따라서 모든 빛이 가려지는 곳에는 어두운 그림자인 본그림자와 일부의 빛만 가려지는 곳에서 희미하고 넓은 그림자인 반그림자가 생기게 된다.

그림자는 물리 현상으로서는 빛이 직진성을 가지는 것부터 태어난다. 또 빛의 파장에 비해 그림자의 원인이 되는 물체가 매우 거대하기 때문에 윤곽의 명료한 그림자가 성립한다. 전파는 물리학적으로는 본질적으로 빛과 변함없는 전자파이지만, 파장이 매우 길고 인체나 건축물 등에 비해 훨씬 더 크기 때문에, 전파도 직진성을 가졌지만 전파에 의한 그림자는 일상적인 사이즈의 물체에게선 태어나지 않는다.

빌딩의 그림자 등에선 TV 전파의 수신에 전파 장해가 일어나지만, 이것은 광학적인 반영에 상당하는 현상이다. 그림자의 경우는 통상 특정 광원·전자파원으로부터의 빛·전자파에 대한 진영을 가리키므로, 전파 등의 경우는 일상적인 물체 사이즈에서는 그림자가 생기지 않는 것이다. 다른 말로 말하면, 직진하는 전파가 빌딩에 닿았을 경우 파장이 매우 길기 때문에, 전파는 산란해 빌딩의 뒤까지 돌아 버려, 순수한 그림자는 없다.

생성 원리

자동차 전조등 불빛

숲 사이로 비치는 햇빛

빛이 없다면 어떻게 될까? 캄캄한 밤에는 왜 물체를 볼 수 없을까? 우리가 물체를 볼 수 있는 것은 빛이 있기 때문이다. 빛이 있어 다른 사물을 볼 수 있으며 그림자도 생긴다. 그림자가 어떻게 생성되는지는 빛의 성질과 관련이 있다.

빛의 직진성

빛은 같은 물질 속을 지날 때 곧게 나아간다. 이와 같이 빛이 곧게 나아가는 성질을 빛의 직진이라고 한다. 햇빛이나 전등의 불빛이 나아가는 모양을 가상 실험을 통하여 살펴본다. 빛이 나아가는 모양을 볼 수 있는 곳은 문틈, 숲 사이로 비치는 햇빛, 자동차의 전조등, 가로등, 등대, 손전등, 영화관의 영사기 등 여러 곳에서 볼 수 있다. 그림과 같이 공기 중에서 빛이 나아가는 모습은 곧게 나아간다. 빛은 곧게 직진하면서 아래와 같은 현상이 발생한다.

1. 빛의 반대쪽에 그림자가 생긴다.
2. 담 너머에 있는 사람의 목소리를 들을 수 있으나 얼굴은 보이지 않는다.
3. 월식과 일식이 생긴다. 월식은 지구가 태양과 달 사이에 들어가서 지구의 그림자로 인해 달의 밝은 부분이 일부 또는 전체가 가려져 어둡게 보이는 현상이고, 일식은 달이 태양과 지구의 사이에 끼어 태양의 일부 또는 전체가 가려지는 현상이다.
4. 물체를 생긴 모양대로 볼 수 있다.
5. 바늘구멍 사진기에 상이 거꾸로 생긴다.

이러한 빛의 직진을 이용한 것이 슬라이드, 영사기, 등대의 불빛, 손전등, 레이저 쇼 등이다.

그림자의 생성

햇빛은 태양에서 오는 광선이다. 빛은 휘어지지 않고 곧게 나아간다. 직진하는 물체가 앞을 가로막으면 물체 뒤쪽에는 빛이 닿지 못하게 되고, 이와 같이 물체에 가로막혀 빛이 닿지 못하는 부분에 그림자가 생기게 되는 것이다.

그림자의 생성

위 그림은 광원과 물체의 크기에 따라 그림자가 어떻게 형성되는지 구분해 놓은 그림이다. 우선 ‘a’는 조명이며 ‘b’는 물체이다. 그리고 빨간색은 빛이 나아가는 방향이며 벽에 닿아서 생기는 ‘A’, ‘B1’, ‘B2’는 그림자이다.

여기서 그림자가 나뉘는 것을 볼 수 있는데 우선 ‘A’는 본그림자(umbra)이며, ‘B1’, ‘B2’는 반그림자(penumbra)이다. 우리가 보통 빛을 비추어 보는 까만 그림자가 본그림자이며 그림자를 자세히 관찰하다 보면 잔상같이 희미하게 생긴 그림자가 반그림자라고 생각하면 된다.

광원과 물체, 그림자의 관계

그림자는 광원과 물체의 거리와 크기 및 실내와 실외에 따라 변화한다. 아래에 두 가지 예시로 설명한다.

크기에 따른 차이

첫 번째는 광원의 크기에 따른 그림자의 차이이다. 우선 위쪽에 있는 그림은 광원이 물체보다 작을 경우인데, 이 경우는 본그림자가 반그림자보다 크게 형성이 되며 경계선이 확실한 그림자가 형성되고 그림자의 대비가 높아진다. 반면 아래쪽의 그림의 경우 광원이 물체보다 커진 경우이다. 이렇게 되면 본그림자가 반그림자보다 면적이 작아진다. 이렇게 되면 그림자의 경계선이 희미해져서 확실한 그림자가 형성되기가 어렵고 그림자의 대비가 낮아진다.

크기에 따른 차이

거리에 따른 차이

그렇다면 거리에 따른 그림자의 차이는 어떨까? 위쪽의 그림은 어느 정도 광원과의 거리가 있지만, 아래쪽에는 광원과 물체가 거리가 짧다. 그림을 보면 알겠지만, 물체와 광원 간에 거리가 가까울수록 반그림자의 영역은 넓어져서 희미한 그림자와 그림자의 대비가 낮아진다는 것을 알 수 있다.

거리에 따른 차이

그림자의 응용

그림자의 입체감 효과

빛 덕분에 색과 주위의 모든 것을 볼 수 있고 다른 물체의 모양과 부피를 구별할 수 있다. 또한 그림자는 그림을 그릴 때 물체에 음영을 넣어주어 입체감을 드러내는 효과가 있어 미술이나 디자인 3D 기술에 널리 응용하고 있으며 포토샵은 물론 파워포인트, 워드와 사무용 프로그램에도 널리 사용이 되고 있다.

셰이딩(shading)

셰이딩은 컴퓨터에 입력된 와이어 프레임 모델에 입체감을 주기 위하여 각 면의 광원으로부터의 거리, 각도, 색채, 밝기 등을 계산하여 입체 표면에 음영을 부여하는 처리 기술을 말한다. 셰이딩은 어떠한 이미지의 일부분 혹은 전체에 검정을 추가하여 빛이 차단된 부분을 상대적으로 어둡게 처리하는 기술이다.

렌더링(rendering)

렌더링은 평면 위에 표시한 대상에 그림자 효과나 농도의 변화 등을 주어 입체감이 들게 함으로써 사실감을 추가하는 컴퓨터 그래픽 과정 또는 기법이다. 평면인 그림에 형태·위치·조명 등 외부의 정보에 따라 다르게 나타나는 그림자·색상·농도 등을 고려하면서 실감 나는 3차원 그래픽 이미지를 만들어 낼 수 있다. 렌더링은 게임, 애니메이션, 건물 설계 등 다양한 분야에 사용되고 있다.

참고 자료

• 〈그림자〉, 《네이버 국어사전》
• 〈그림자〉, 《위키백과》
• 〈그림자가 만들어지는 까닭〉, 《에듀넷·티》
• 밝은햇살, 〈빛의 직진성 - 빛은 곧게 나간다〉, 《네이버 블로그》, 2006-10-14
• 푸른성배, 〈빛의 이해? 명암, 그림자의 대한 고찰 (1)〉, 《네이버 블로그》, 2017-06-12

같이 보기

• 물체
• 빛
• 광원
• 투명
• 불투명
• 거리
• 크기
• 미술
• 디자인
• 셰이딩
• 렌더링

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