1、魚眼鏡頭的結構與原理
魚眼鏡頭是一種極端的廣角鏡頭，也稱全景鏡頭[4]。一般認為16mm或焦距更短的鏡頭即為魚眼鏡頭[5]，但是在工程上視角范圍超過140 度的鏡頭即統(tǒng)稱為魚眼鏡頭[1]。在實際中也有視角超過甚至達到270度的鏡頭。魚眼鏡頭是一種具有大量筒形畸變的反遠攝型光組[7]。這種鏡頭的前鏡片呈拋物線狀向前部凸出，形狀與魚的眼睛相似，因此得名“魚眼鏡頭”，其視覺效果類似于魚在水中觀察水面上的事物。當魚在貼近水面的位置觀察時，視角可以達到近180°的廣角。這種現(xiàn)象在光學原理中屬于全反射和光路可逆。
由于魚眼前表面的曲率半徑很大，如若將魚眼外凸的前表面和眼前的水看成整體當作負透鏡，該透鏡將會有絕對值很大的負光焦度。借鑒仿生學原理，魚眼鏡頭是其領域的一大突破，人類借鑒魚類仰視水面之上半球空域的視覺原理，使用光學工程技術設計出魚眼鏡頭，并用其成像，獲得半球甚至超半球空域的場景圖像。為使入射光線強度足夠大，前置透鏡的前表面改進為凸面并且相應增大后曲面的曲率，保證原有光焦度不變，以形成彎月形的透鏡。
彎月形透鏡是作為第一個鏡頭，在其后面增加一定數(shù)量的透鏡后組成透鏡組，以確保第一透鏡能良好聚焦。魚眼鏡頭的普遍結構特征為：透鏡前組光焦度為負，后組光焦度為正，以加大同焦距不同類型鏡頭的后工作距離。魚眼鏡頭具有廣角、短焦的特點。圖1-4為魚眼鏡頭基本結構系統(tǒng)簡化圖。
2、魚眼鏡頭的成像畸變理論
在光學原理中，受到高斯原理成像視角限制，能成像的空間大小極為有限。但在討論的魚眼鏡頭中，為了突破成像的局限性，魚眼鏡頭引入畸變理論，在直徑空間上進行壓縮，以實現(xiàn)廣角成像。
3、魚眼視覺系統(tǒng)模型
魚眼鏡頭成像重點之一就是能夠正確描述三維立體空間里的目標點在成像平面上的像點，并且能夠準確建立對應關系，要完成這一目標需要建立視覺成像模型并分析規(guī)律。魚眼鏡頭多采用等距定理設計，圖1-6為空間任意一點經(jīng)魚眼鏡頭折射后成像系統(tǒng)模擬圖。
模型中魚眼攝像成像模型由五個坐標系組成：世界坐標系、魚眼鏡頭坐標系、攝像機坐標系、圖像坐標系、成像坐標系。P是三維場景中的一點；h是點和投影表面展示空間之間的垂直距離；R是魚眼圖像半徑；P’是場景點P在成像平面上的投影點；ω是點相對于中心入射角；r 是圖像中心點O’與像點間的徑向距離；θ是場景點P在攝像機坐標系下的方位角；Θ是像點在圖像物理坐標系下的方位角。Sx、Sy是像素分別在橫軸以及縱軸上的物理尺寸。
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