近几年来,互联网产业蓬勃发展。图像作为最有用的信息表示形式之一,广泛应用于各个领域。图像信息的泄露可能造成财产损失和不利的社会影响,因此保护图像信息的安全具有重要的意义。由于传统的文本信息加密算法不是专门针对图像来设计的,所以在图像加密中已不再适用。混沌系统具有不可预测性,对于初始值极度敏感性,同时产生的序列表现出伪随机性等,结合混沌系统设计的图像加密算法可以有效的解决图像信息泄露的问题。针对目前许多混沌图像加密算法存在加密效率低、不能抵御选择性明文攻击和噪声攻击、可实现性差等问题,本文开展了以下研究工作:(1)结合密码学基础和经典的置乱-扩散结构的混沌图像加密算法,研究了两种分别在电子密码本(ECB,Electronic Code Book)模式和密码分组链接(CBC,Cipher Block Chaining)模式下的混沌图像加密算法。通过与两种不同模式下的数据加密标准(DES,Data Encryption Standard)算法对比,得出了传统的文本数据加密算法不适合图像加密,同时也总结了经典的混沌图像加密算法在两种常见模式下的优缺点以及算法在图像加密应用中存在的问题,这些为基于混沌的图像加密算法的设计提供了研究方向和改进空间。(2)针对目前基于经典置乱-扩散结构的加密算法存在的加密效率低、加密操作不能并行执行、不能抵御选择性明文攻击等问题,提出了一种基于超混沌系统和单项耦合映象格子(OCML,One-way Coupled Map Lattices)的快速图像加密算法。算法运用了新颖的置乱和扩散操作,使其能够运行在串并共存的计算机环境下。在置乱阶段,通过采取Baker映射与混沌置乱相结合方式来打乱图像像素的位置。相比单纯的Baker映射变换,克服了其置乱周期性,同时每块置乱能够并行处理,提高了置乱效率。在扩散阶段,首先利用包含两个局部映射的单项耦合映象格子与超混沌系统进行每个图像块之间的像素扩散处理。接着把图像翻转、分块。最后对每一块进行单独的像素扩散,其中每一块的扩散可以并行处理。实验测试结果及与相关研究成果对比表明:算法不需要多轮重复执行就可以达到很高的安全性,加密效率明显提高。同时算法中引入了随机数和密文反馈,使算法能够抵御各种常见攻击。(3)压缩感知(CS,Compressed Sensing)和混沌图像加密相结合的算法存在许多优势,然而很多基于压缩感知的混沌图像加密算法存在测量矩阵尺寸较大、物理可实现性差、算法不能够抵御选择性明文攻击等问题,针对这些问题,提出了一种基于快速压缩感知的混沌图像加密算法。算法首先利用图像的SHA-256哈希值产生混沌系统的初始值和参数;接着使用混沌系统产生的伪随机序列来生成扰乱的分块哈达玛矩阵(SBHE,Scrambled Block Hadamard Ensemble);最后使用SBHE作为压缩感知的测量矩阵对图像进行压缩采样。除了压缩测量之外,算法又把压缩加密后的图像进行了量化、置乱、分块像素值替代处理。实验结果以及与相关研究成果的对比证实了算法除了具有压缩性能之外,还具有很高的加密安全性,能够抵抗多种攻击。综上,测试结果表明,本文提出的两种基于混沌的图像加密算法都具有较好的加密性能,算法理论价值高且应用前景广泛。