高精度、微创化的手术导航系统被越来越广泛地应用到医疗领域。术前手术导航系统帮助医生根据虚拟的病灶位置制定手术路径和手术计划，同时可以进行虚拟手术，有效地提高手术的成功率；术中手术导航系统实时跟踪医生所操作的手术器械，并在虚拟图像中显示手术器械和手术组织的相对位置，让医生能够获得其肉眼无法直接观测到的组织和结构信息，避免直接开刀，降低对患者的创伤；术后对患者康复情况进行跟踪，对手术数据进行记录，方便医生对数据进行分析。定位系统是手术导航系统重要组成部分，基于双目视觉系统的光学定位系统因其精度高、操作方便等特点而被广泛地应用于手术导航系统中，对于光学定位系统的研究国内目前落后于国外，因此为了研究具有自主产权的系统，需要对以下关键问题进行研究：双目视觉系统电路设计、摄像机同步采集的实现、图像和亚像素数据的实时传输和显示、系统配套软件设计等。为了进一步对所设计的光学定位系统的精度进行评估，还需要研究跟踪定位误差分析方法。为了解决上述关键问题，本文的主要工作如下：构建了基于FPGA的近红外光学定位系统硬件平台。在硬件框架中，该平台中自行设计了双目视觉系统电路和USB(通用串行总线)高速传输电路，所设计的双目视觉系统电路两摄像机图像采集同步性高，而USB高速传输系统传输速度快，能够满足光学定位系统实时的要求，系统利用Field－Programmable Gate Array（FPGA）强大的并行处理和计算能力，同步控制双目视觉系统进行图像采集，并在FPGA中完成了图像的预处理和亚像素提取，然后通过USB高速传输系统快速地把图像和亚像素数据传输到电脑上进行后续的操作。在软件框架中，该平台自行设计了配套的定位软件，在软件上能够完成读取和显示图像和亚像素数据、手术器械注册、保存图像等操作。本文设计了一个完全基于FPGA硬件计算能力的，快速而准确的亚像素提取算法，在FPGA完成对图像的亚像素提取，如果只需要传输亚像素数据，则能够有效地提高光学定位系统的速度。设计了一个用于分析同步误差的算法，该算法能够分析系统由于双目视觉系统的不同步采集所造成的误差大小，用于验证本文所研究的基于FPGA的光学定位系统的同步性，实验结果表明该系统是能够很好地避免由于摄像机不同步所造成的同步误差。同时还分析了光学定位系统视场范围内定位误差的分布图，从而指导医生尽量在误差低的地方进行手术，被动地提高了光学定位系统的精度。本文设计了整套基于FPGA的光学定位系统，包括自行设计的硬件电路及其配套定位软件，实验表明该光学定位系统能够满足实时定位的要求，同时很好地克服了由于摄像机不同步而导致的定位误差，定位精度高、速度快、鲁棒性好。