每個物體在陽光的照耀下會投射出影子，並且隨著太陽在天空中的移動，影子的方向和長短都在不斷地變化。古人通過長期的觀察與積累，發現這種變化包含了兩個周期，一個是以一晝夜為單位的短周期，一個是以春夏秋冬為單位，與開花結果等物候現象合拍的長周期。大約在4000多年前，出現了迄今為止所知道的最古老的天文儀器——表。表的產生，便於更準確地判斷影子的方向和長短。顯然這個表不是指鐘錶、儀錶的表，但是前者和後者之間確實存在著必然的聯繫。
表，就是直立於地面的竿子。太陽下，有竿便有影，這大概就是「立竿見影」這個成語的原始含義。古書中的竿、槷〔nie 聶〕、臬〔nie 聶〕、髀、碑、裨〔bei 碑〕等詞，都是表的其他名稱。
表的結構雖然簡單，功能卻不少。表的最初用途是確定方向。太陽並不是每天都從正東方升起正西方落下。以北京地區(地理緯度40°00′)為例，冬至日的時候，太陽於東偏南31°左右升起，於西偏南31°左右落下，遠離東點西點。每年只有在3月21日(春分日)和9月23日(秋分日)前後，才可以說太陽真正是「東升西落」。那麼憑表影怎樣來確定方向呢？古代以表立處為圓心作一個任意圓，然後連接日出日沒時表影與圓周相交的兩點，便得到正東正西方向，並由東西而知南北(見圖5)。為了提高測量精度，也可多劃幾個任意圓，取多次平均值。不過，日出日沒時的表影常常比較模糊，即使多次測量，也難免會有較大誤差。如果採用上午或下午兩次等長的表影，取其端點的連線，一樣可獲知東西方向。元代天文學家郭守敬的定向儀器「正方案」正是利用這一原理設計的。
除了確定方位外，表還有兩個重要功能，其一是利用一天中表影方向的變化來判斷時刻，其二是利用一年中正午表影長短的變化來判斷冬至日和夏至日。第一個功能的延伸是，表再加上一個刻有放射狀時刻線的圓形石盤，就演變成了日晷〔gui龜〕。而第二個功能發展的結果，又導致了圭表的產生，圭表是中國古代必不可少的天文儀器之一。本節重點介紹圭表，日晷將留待計時儀器部分講述。
在冬天，太陽光比夏天時更傾斜，因而表影相對夏天更長，換句話說，正午時的表影最長或最短的那一天，太陽恰好處於最南或最北的極限位置。這兩天分別叫做冬至日和夏至日(見圖6)。經驗告訴人們，當太陽離開最南端，開始向北方移動時，天氣逐漸變暖，萬物陸續復甦，意味著饑荒將要過去。同樣地，當太陽離開最北端，開始向南方移動時，天氣逐漸變冷，萬物陸續凋零，意味著要趕緊貯存過冬食品，所以冬至日和夏至日在古人心目中顯得尤為重要，通過表影來測算冬至日和夏至日就成為中國古天文中最基本的內容之一。
中國絕大部分地區的緯度高於北回歸線(即23.5°)，正午時的表影總是在表的正北方向。把一塊有刻度的平板，緊接表基處朝北水平放置，便可直接讀出正午時表影的長度。本來「圭」字，僅指片狀玉器，由於圭曾作為測量土地的標準尺子廣泛使用過，後來轉而把測量影長的工具也叫做圭，圭和表的結合就稱為圭表(見圖7)。
表身是否垂直，圭面是否水平，都會影響表影的長度，所以漢代時人們就知道，藉助懸物來校正表的垂直，藉助水槽來校正圭的水平。另外，為了克服光線漫射引起的表影端線模糊不清給測量造成的困難，沈括於宋熙寧七年(公元1074年)提出了兩項改進：一是將圭表置於一個僅頂部有一條縫隙的密室，由於密室內塵埃較少，射入的日光又較細窄，可削弱漫射的影響。明、清兩代都採納了沈括的建議，據說，現存北京古觀象台的叫做「晷影室」的房舍，就是當年的密室。二是在表影中再立一個副表，副表較短，觀測時，使兩表影端重合，增加其濃度，便於更準確地測量影長。
元代郭守敬對圭表做出了重大的改進。首先他創立了高表，傳統表長為八尺，而郭守敬的高表高到40尺，顯示了他對誤差的正確理解。
因為現代誤差理論認為：相同的測量誤差對較長的表影來說，所佔比例較小，影響因而較小。後人追循郭守敬，爭先設立高表。明代邢雲路曾豎立起60尺高的木表，即使不是世界之最，也可以算中國之最了。邢雲路的這一措施確實有效，他所測定回歸年長度為365.24219日，是當時世界上最精密的數據，每年的誤差僅為2.3秒。郭守敬發明的景符，利用光學中小孔成像的原理，使影長測量準確到兩毫米之內。