1、鱼眼镜头的结构与原理
鱼眼镜头是一种极端的广角镜头，也称全景镜头[4]。一般认为16mm或焦距更短的镜头即为鱼眼镜头[5]，但是在工程上视角范围超过140 度的镜头即统称为鱼眼镜头[1]。在实际中也有视角超过甚至达到270度的镜头。鱼眼镜头是一种具有大量筒形畸变的反远摄型光组[7]。这种镜头的前镜片呈抛物线状向前部凸出，形状与鱼的眼睛相似，因此得名“鱼眼镜头”，其视觉效果类似于鱼在水中观察水面上的事物。当鱼在贴近水面的位置观察时，视角可以达到近180°的广角。这种现象在光学原理中属于全反射和光路可逆。

由于鱼眼前表面的曲率半径很大，如若将鱼眼外凸的前表面和眼前的水看成整体当作负透镜，该透镜将会有绝对值很大的负光焦度。借鉴仿生学原理，鱼眼镜头是其领域的一大突破，人类借鉴鱼类仰视水面之上半球空域的视觉原理，使用光学工程技术设计出鱼眼镜头，并用其成像，获得半球甚至超半球空域的场景图像。为使入射光线强度足够大，前置透镜的前表面改进为凸面并且相应增大后曲面的曲率，保证原有光焦度不变，以形成弯月形的透镜。

弯月形透镜是作为第一个镜头，在其后面增加一定数量的透镜后组成透镜组，以确保第一透镜能良好聚焦。鱼眼镜头的普遍结构特征为：透镜前组光焦度为负，后组光焦度为正，以加大同焦距不同类型镜头的后工作距离。鱼眼镜头具有广角、短焦的特点。图1-4为鱼眼镜头基本结构系统简化图。

2、鱼眼镜头的成像畸变理论

在光学原理中，受到高斯原理成像视角限制，能成像的空间大小极为有限。但在讨论的鱼眼镜头中，为了突破成像的局限性，鱼眼镜头引入畸变理论，在直径空间上进行压缩，以实现广角成像。

3、鱼眼视觉系统模型
鱼眼镜头成像重点之一就是能够正确描述三维立体空间里的目标点在成像平面上的像点，并且能够准确建立对应关系，要完成这一目标需要建立视觉成像模型并分析规律。鱼眼镜头多采用等距定理设计，图1-6为空间任意一点经鱼眼镜头折射后成像系统模拟图。

模型中鱼眼摄像成像模型由五个坐标系组成：世界坐标系、鱼眼镜头坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系、成像坐标系。P是三维场景中的一点；h是点和投影表面展示空间之间的垂直距离；R是鱼眼图像半径；P’是场景点P在成像平面上的投影点；ω是点相对于中心入射角；r 是图像中心点O’与像点间的径向距离；θ是场景点P在摄像机坐标系下的方位角；Θ是像点在图像物理坐标系下的方位角。Sx、Sy是像素分别在横轴以及纵轴上的物理尺寸。