本文以股骨髓内钉植入手术导航为目标，对基于面阵CCD视觉传感的被动式光学立体定位系统的原理和方法进行了深入研究，开发了一个光学立体定位与跟踪系统。 首先，从系统设计的角度，分析比较了目前手术导航系统中的不同定位方法，针对股骨骨折手术外科导航立体定位的需要，根据传统手术中髓内钉植入手术的诊断和治疗现状，提出并建立了股骨骨折髓内钉治疗手术导航系统的基本框架，并阐述了其软、硬件构成。 其次，研究了手术导航中光学立体定位的基本原理，针对极线校正深度恢复算法的弊端，采用直接深度恢复算法，恢复目标的空间位置；提出了一种利用轴对称回转体转向轮廓线投影恢复手术器械空间姿态的通用数学方法，实现对手术器械空间姿态的描述。 通过设计特定的结构元素，利用数学形态学方法，对包含复杂背景的图像进行了有效的分割；实现了一种基于平面模板的立体摄像机自动标定技术。在标定过程中，只需要将平面标定模板改变任意3个以上位置，系统就可以从拍摄到的图像中自动获得双摄像机的参数；根据标定结果，采用4参数畸变校正模型，对本文中的立体图像对进行了去畸变校正，获得了理想的无畸变图像。 通过分析像素级特征点附近邻域的灰度特征，设计并实现了一种提高CCD相机定位精度的算法，该方法可以在不要求增加相机硬件精度的情况下，提高图像特征到亚像素级的定位精度；本文提出对空间目标的特征点进行指定和调整的方法，使得匹配只需要在很少的离散的待匹配点附近的一个邻域进行，即使两副图像中目标特征点存在一定偏差，通过亚像素级特征提取方法，仍然可以实现准确匹配；采用Hu不变量来有效的识别目标，通过建立并维护一个以识别目标为中心的动态搜索窗口，将搜索窗口以外的特征点排除，避免了文献中需要在全部图像中的待匹配特征点进行搜索的问题；应用基于离散特征点的光流跟踪方法，在目标运动速度达到100mm/s时，仍然实现了目标的有效跟踪。 最后，建立了一个光学立体定位与跟踪系统。对空间目标的定位试验结果表明，跟踪范围在700～1000mm时，计算得到的目标Z坐标误差只有0.65mm，对探针运动路径的跟踪实验结果表明，在执行机构运动速度为100mm/s的情况下，运动路径的相对距离最大偏差只有0.3mm。实验结果证实本文研究的立体定位系统满足髓内钉治疗手术导航对空间目标定位与跟踪的精度要求。