随着网络与数字多媒体技术的快速发展,多媒体信息特别图像信息的传播变得越来越重要。数字技术可以带给我们很多便利,但也带给攻击者和非法用户机会,因此图像加密方法已经成为一个主要关注的问题。不同于文本文件,图像有其特有的属性,如直观、数据量大和像素间相关性强等特点,因此一些传统的数据加密方法,如DES、AES、IDEA和RSA等不再适用于数字图像加密。由于混沌具有高安全性、低计算复杂度、对初始条件和系统参数极度敏感等良好的性质,因此提供了一种新的数字图像加密方法。因此本文首先根据二维离散非线性方程,通过分析与计算Lyapunov指数,提出了一种二维超混沌系统,并从理论上研究与分析二维超混沌系统的特性,包括绘制吸引子图,分析平衡点与稳定性,求解和绘制Lyapunov指数与分岔图,敏感性分析等,理论分析与实验结果表明,二维超混沌系统既具有超混沌系统的特性,相空间复杂,对初始条件极度敏感,随机性好,密钥空间大和安全性好等优势,它又没有高维超混沌系统的复杂计算量,加密速度慢,生成的密文图像数据量大等缺陷。其次,本文通过分析现有的混沌序列预处理方法的特点,设计出一种结合多分段法,针对二维超混沌输出序列特点的多分段映射的方法,来实现对动力学退化的混沌系统输出序列离散化,并进行随机性测试。实验结果表明,该方法预处理后的序列通过了FIPS140-2测试、相关性测试和功率谱测试,使其输出序列的随机性与复杂性更加良好,能有效的用于图像加密中。最后,针对目前混沌加密数字图像难以抵抗已知／选择明文攻击的主要缺陷,提出了基于二维超混沌系统改进的图像加密算法。不同于传统Fridrich置乱和扩散的架构,采用一种新的改进的加密算法架构使置乱-扩散过程相结合,并利用明文MD5值分组异或调制二维超混沌系统的参数和初始值,增加算法对明文的敏感性,从而使整个加密算法能有效地抵抗已知／选择明文攻击。实验结果表明：该改进算法有着很好的加密效果和安全性,并在明文敏感性分析方面效果更好,能有效抵抗已知／选择明文攻击。