近些年来,现代医学手术向着精确化、微创化方向发展,也因此带动了手术导航系统的相关研究。使用面阵CMOS传感器的光学定位系统由于其同时兼容主动式和被动式跟踪,并且具有高精度和易用性的优点,成为手术导航系统中光学定位设备的主要发展方向。本论文通过对双目视觉定位原理及嵌入式硬件系统的深入研究,搭建了一套基于FPGA和SOPC系统的红外光学定位系统,实现了对空间中标志点的实时定位和跟踪。论文主要完成工作包括:[1]将直接线性变换方法(DLT)和极限约束方法应于面阵CMOS系统对空间坐标的三维重建中,给出和论证了如何使用直接线性变换方法对光学定位系统进行标定,以及分别计算每一摄像机的内外参数。[2]设计并研制了一套基于双目视觉原理的红外光学定位系统样机,完成了系统样机的软硬件设计。系统开发从最前端的CMOS传感器开始,使用FPGA完成了图像传感器的驱动设计,标志点的中心提取。为方便系统调试,设计了图像缓存和VGA显示功能。另外,为样机设计了机械结构用于系统的固定和封装。[3]针对Nios II处理器计算性能不足的问题,提出了使用硬件加速提高三维解算速率的解决方案,系统的定位跟踪速率得到大幅度提升,使得标志点的解算工作能够在嵌入式硬件平台上完成。[4]搭建高精度实验平台,设计并完成了对系统的标定实验,获得了较好标定精度。解决了标定实验流程中的图像存取等关键问题。综上所述,论文针对手术导航系统中定位跟踪的特殊应用,完成了对空间多点三维坐标的实时高精度定位技术的研究和系统开发。测试结果表明系统取得了亚毫米的定位精度和60Hz的刷新速率。