随着信息一体化步伐愈来愈快,信息技术在给人们生活带来极大便利的同时,也存在一些潜在安全隐患,例如信息泄露等。学者们对数字图像等数字化信息的保护进行了深入探索,并提出一些有效的策略。然而,密钥空间较小,加密和解密过程与明文信息不敏感,以及对于常见攻击鲁棒性较弱等问题,在一些图像加密算法中屡见不鲜。设计更安全有效的图像加密算法逐渐成为研究热点。得益于混沌系统诸多与密码学密切相关的特点,例如伪随机性、初值敏感性等,使得基于混沌理论的图像密码学成为目前常见的研究方向。本文结合时空混沌系统中交叉耦合映像格子的研究,采用理论分析和数值计算相结合的方法,提出几种基于交叉耦合映像格子的图像加密算法。主要工作如下:（1）构造改进一维混沌系统并应用于像素级图像加密算法中。首先,为增强像素级灰度图像算法抵御常见种类攻击的能力,构造了基于一维Logistic映射图像分块置乱以及多种扩散模型的加密过程。然后,针对一维混沌系统中混沌区域过小,混沌序列值分布不均匀等问题,构造一个具有幂指数结构的一维混沌系统,可以通过不断替换内嵌一维混沌映射来输出不同的混沌序列。接着,将所提混沌系统应用于增强彩色图像不同颜色分量的联系,提出一个像素级彩色图像加密策略。理论分析和实验结果表明,所提具有幂指数结构的一维混沌系统能有效扩大原一维混沌映射的混沌区域,且得到的混沌序列分布更均匀,所提该算法具有较好的安全性和有效性,并从像素级图像加密的角度进一步验证了所提一维系统的混沌特性。（2）构造改进一维交叉耦合映像格子并应用于比特级图像加密算法。首先,针对一维交叉耦合映像格子中存在有限个参数对使得模型表现出时空混沌行为的问题,通过更换模型内嵌低维混沌映射、引入取模运算、构造动态耦合系数的方法,构造了两个改进一维交叉耦合映像格子模型。其次,在像素级图像加密基础之上,基于改进的一维交叉耦合映像模型提出两个比特级图像加密策略,进一步增强加密算法抵御常见攻击的能力。理论分析和实验结果表明,所构造的改进一维交叉耦合映像格子模型能有效提高使得模型表现出时空混沌行为的参数对比例,且基于该模型的图像加密算法具有较好的安全性和有效性,并从比特级图像加密的角度进一步验证了所提改进一维交叉耦合映像格子模型较好的时空混沌行为。（3）构造二维交叉耦合映像格子并应用于图像压缩加密算法。首先,从空间维度对一维交叉耦合映像格子模型进行延伸,构造了一个二维交叉耦合映像格子模型。其次,结合压缩感知理论和所提模型,提出一个图像压缩加密算法,以期在提高加密算法安全性的同时增强图像传输的效率。理论分析和实验结果表明,相比于一维交叉耦合映像模型,所构造的二维交叉耦合映像格子模型能进一步提高使得模型表现出时空混沌行为的参数对比例,且基于该模型和压缩感知理论的图像压缩加密算法具有较好的安全性和有效性,并从图像压缩加密的角度验证了所构造二维交叉耦合映像格子模型较好的时空混沌特性。综上,本文研究了混沌理论在图像加密中的应用,提出了五个基于混沌系统的图像加密算法。首先,将一维混沌系统及其改进模型分别应用于像素级灰度和彩色图像加密策略中,有效改善了现有像素级图像加密策略中密钥与明文信息关联度较差的问题。然后,构造两种改进的一维时空混沌模型并分别应用于比特级灰度和彩色图像加密策略中,有效改善了现有比特级图像加密策略中密钥生成过程缺乏变化的问题,同时增强了图像加密策略抵御常见攻击的能力。接着,在空间维度构造二维时空混沌模型并应用于图像压缩加密策略中,有效改善了图像压缩加密策略中存在的测量矩阵占用存储空间过大以及由于缺乏扩散机制导致压缩加密策略对于选择明文攻击等常见攻击表现出的较弱抵抗性。上述几个算法在对图像像素的运算和混沌系统的角度都属于递进关系。具体地,混沌系统从低维混沌系统递进到具有复杂混沌特性的时空混沌系统,算法操作对象从像素值递进到像素的比特形式、再到像素的压缩和加密。