画面上に投影する

2.2以降では Camera.Parameters#getHorizontalViewAngle() で画角が得られるので、ピクセルと方位とを線形関係とみなして(「レンズモデル?シラネ」で行く)、前述の姿勢に依存する座標系から Math.tan2() とかを使って方位を出してやればOK。
気をつけるべきは、カメラプレビューをフルスクリーンにべったり付ける場合。アスペクト比が違ってます。