数字图像是人们进行信息交互的重要手段，在人们的日常生活中扮演着重要角色。对数字图像进行加密是保证用户隐私安全的有效方式。由于混沌系统具有良好的伪随机性、初值敏感性和非周期性等特点，产生的混沌序列在适当处理后非常适合数字图像的加密。因此，基于混沌理论的图像加密算法被不断提出。已有混沌数字图像加密算法主要分为像素位置的置乱、像素值的替代以及两者相结合等方法。然而，大部分的数字图像加密算法存在密钥空间小，安全性低或者算法时间复杂度大，无法满足实时性要求等问题。为了解决上述问题，本文对混沌数字图像加密算法做了一系列地研究和探讨，主要包括以下几个方面：首先，分析了两种典型的混沌系统，并结合混沌数字图像加密算法的密钥空间、加密效率、统计特性、敏感性和典型地攻击方法，提出了混沌数字图像加密算法的性能分析方法及其各项指标，并给出了相应指标的涵义。其次，分析了当前灰度级图像的加密算法和研究现状，指出现有算法存在的缺陷，并结合Logistic混沌映射实现了基于交叉分段和并行扩散的灰度级图像混沌加密算法。该算法通过将明文图像交叉分段，形成密文段之间的两轮并行扩散，提高算法对明文图像和密钥的敏感性；采用动态的密钥流生成规则，使得加密所需的密钥流与明文密切相关。实验结果表明，基于交叉分段和并行扩散的混沌图像加密算法实现了灰度级图像的充分混淆和扩散，满足各项性能分析的指标。最后，受到交叉分段和并行扩散的思想启发，并结合彩色图像的分量特性，提出了基于行列置乱和并行扩散的彩色图像加密算法。该算法利用修正的二维超混沌映射，通过设计一种高效的位置置乱算法来破坏相邻像素和像素分量之间的相关性；同时，借鉴并行扩散的思想，实现像素值的充分混淆和扩散。实验结果表明，基于分量下的行列置乱和并行扩散的彩色图像加密算法具有密钥空间大、时间开销小、密文图像分布均匀、像素之间的相关性趋于零、加密系统敏感性高和对常见的攻击形式免疫等特点，能够满足彩色图像加密的实时性要求。