随着信息技术的发展与广泛应用，敏感信息的安全性受到了越来越多的人的重视。因此，信息安全及其相关领域成为了当前研究的热点，具有较高的理论意义和应用价值。在分组加密中，S盒是常用的重要部件，被广泛应用于DES和AES等加密标准中。所以针对S盒的研究，一直都是密码学研究中的重要问题。混沌由于其本身的特点，如：伪随机性，对初始值及其系统参数的极度敏感性和非线性等特点等，与传统密码学之间存在一定的对应关系，为密码学相关领域的研究提供了新的思路和方向。本论文将混沌技术与密码学的相关研究相结合，主要完成以下工作：(1)在介绍混沌基础理论、密码学及其图像加密基础知识的基础上，详细分析了基于混沌的S盒构造算法与图像加密算法的研究现状和值得深入研究的方向。(2)分析了当前S盒非线性度的研究中存在的问题。提出了一个基于混沌映射与爬山算法的S盒构造算法。通过理论分析和仿真实验证明了该算法可以高效地构造具有较高非线性度的S盒。(3)论述了一种基于混沌与遗传算法的S盒构造算法的不足。分析了S盒真值表的特点，提出了在S盒构造过程中判断双射特性的方法。结合S盒非线性度提升理论，提出了改进措施，有效地避免局部最优解对于算法结果的影响。(4)提出一种基于图像比特位的置乱方法。将多个S盒用于编码图像像素值与扩展密钥流中。结合时空混沌模型，设计了一种图像加密算法。实验结果表明，该算法加密效果好，且可有效的抵御传统密码学中的攻击。