脊椎疾病是临床上常见的病症,包括椎间盘突出、骨质增生、椎管狭窄等病症。脊椎疾病在给患者造成生理痛苦的同时,还会给患者额外造成精神压力。脊椎手术分为开放手术和微创手术两种方式。脊椎微创手术以开口小、出血少、疼痛少、不易引起术前和术后并发症等优点,成为外科手术发展的趋势,并逐步演化为现代医学的发展方向。然而,脊椎微创手术因技术难度大、培训周期长和缺少培训机制等因素制约脊椎微创手术的发展。术中椎弓根螺钉的植入是一个高精度的过程,其植入精度直接影响手术的效果,因此针对椎弓根螺钉植入的脊椎微创手术培训系统的研发势在必行。为了给予医生一个更加真实的培训环境,培训系统应包括两个部分,精准的视觉和触觉反馈,因此本文设计了基于增强现实的具有真实力反馈的脊椎微创手术培训系统。采用三维虚拟界面,为医生提供逼真的视觉反馈,方便医生全方位、多角度的观察手术器械相对于脊椎的位置。通过采用3D打印的脊椎物理模型和带有参考架的手术器械,为医生提供真实的力反馈。本论文主要研究内容如下:根据课题组现有基础,设计了基于增强现实的具有真实力反馈的脊椎微创手术培训系统,介绍了该系统的软、硬件结构组成,并阐述了整个培训系统的工作流程;进一步,本文采用介于传统和自适应标定算法之间的基于平面棋盘格的标定算法,对摄像机进行标定,获得摄像机的内外参数矩阵和畸变系数,为进一步的三维重建提供基础,摄像机标定的映射误差为0.12个像素,满足三维重建的精度要求;由于所采集的图像质量不高,所以首先采用中值平滑去噪和基于灰度形态学的图像边缘增强对图像进行预处理,以提高目标的边缘特征。然后,采用Canny算法进行目标边缘检测。最后,针对Hough变换算法不适用于仿射变化下,运动目标的提取问题,提出了基于轮廓的仿射不变矩算法,解决了上述问题,为进一步的三维重建提供数据基础;通过针对多目标特征点的立体匹配算法后,采用基于双目摄像机的三维重建算法,获得多目标在世界坐标系下的三维坐标。采用基于Kalman滤波器的感兴趣区域中心位置的动态跟踪设计提高了多目标动态跟踪定位的实时性。针对信息缺失的情况,设计跟踪方法。实验结果表明基于双目摄像机的多目标动态跟踪定位的精度误差控制在1mm之内,满足基于增强现实的具有真实力反馈的脊椎微创手术培训系统的精度要求。