数字图像作为多媒体信息技术的重要组成部分,对人们日常的生产生活起着越来越重要的作用。然而数字信息自身的特点使得其安全性非常容易在传输和存储的过程中受到威胁。当前,数字信息的安全问题已经成为信源编码、信道编码、网络通信、计算机技术以及数学等诸多领域研究的重要内容,成为亟需解决的问题。密码技术作为最为常用和有效的信息保护手段,已经广泛地应用于数字信息的保护中。然而近年来的研究表明,传统密码技术例如DES、AES并不适合对多媒体信息进行加密。而混沌理论的发展以及其与密码学天然的联系使得基于混沌理论的密码学为多媒体信息安全提供了新的手段和方法,并使之自20世纪80年代提出以来,得到了迅猛的发展。本文针对近年来基于混沌理论的密码学的发展进行了研究和总结,结合混沌理论以及数字图像各自的性质分别提出了图像的像素级混沌加密体系和比特级混沌加密体系,根据侧重点的不同,给出了不同的加密算法,并使用密码学的评价体系对提出的加密算法进行评测,验证了算法的安全性和有效性。论文的创新点主要体现在以下几个方面：(1)针对传统置乱扩散框架中普遍存在的安全性问题,在分析混沌映射性质的基础上,提出了一种结合逆2维映射和标准映射的新型混沌映射——复合2维混沌映射。相对于标准2维映射,这种新的映射提供了基于初始位置和映射位置的双重随机选取机制,具有更高的复杂性和随机性。以此为基础,给出了一种基于逆2维混沌映射的图像加密算法。实验分析表明,该算法有效地增加了算法的随机性和复杂性,并可以有效地抵御选择明文攻击。(2)针对传统加密框架中置乱阶段和扩散阶段相互独立的问题,提出了一种将置乱阶段和扩散阶段相融合的加密框架——伴随扩散框架。利用该框架进行加密操作,可以使置乱阶段和扩散阶段两个过程紧密融合,有效地抵御选择明文攻击。最后,给出了一种基于伴随扩散框架的混沌图像加密算法,验证了该框架的有效性。(3)针对传统置乱算法置乱后图像中相邻像素点相关性系数较高的问题,提出了相关性分离映射、逆映射以及相应的混沌图像加密算法。这种基于相关性分离映射的混沌图像加密算法对不同方向相邻的像素点采用“分而治之”的策略,并在此基础上引入随机旋转和随机置乱区域等方法解决了传统置乱方法置乱后图像相关性系数过高的问题,进一步增强了置乱过程的安全性,提高了密码分析的难度。(4)提出了基于比特级置乱的图像加密框架并分析了不同比特平面对于图像的贡献率。与传统像素级置乱不同,在这种全新的比特级置乱中,不同比特平面可以单独进行置乱操作,通过改变微观的比特位置和比特组合使得比特级置乱过程可以同时改变像素点的位置和值。新算法使用两种不同的置乱策略对高4比特和低4比特平面进行置乱。实验证明,相对于像素级加密算法,比特级加密算法在置乱阶段可以同时改变像素点的位置和值,且拥有更高的安全性和时效性。(5)分析了不同图像的不同比特平面所存在的共性,发现了比特级数字图像的两个固有性质,即高比特平面间具有较高相关性和比特分布宏观稳定、微观波动性。根据这两个性质提出了比特级置乱的3个规则,并在此基础上提出了一种全新的置乱平面,在这种置乱平面中不同位置的置乱元素拥有不同的权重。此外,提出了一种RGB图像的新型置乱平面,打破了传统置乱算法对于比特位置的限制,使得比特可以从当前比特平面移动到任意比特平面,从而得到更好的置乱效果。(6)针对传统置乱扩散加密框架中的高计算冗余问题,详细分析了置乱过程的各个步骤并对其进行了优化,提出了一种轻量级置乱算法,以解决传统算法计算冗余度高的问题。进一步分析了传统置乱扩散框架的“停顿点问题”,并提出了基于级联环形扩散的新型扩散算法。实验表明,结合轻量级置乱算法和级联环形扩散算法,在保证安全性的同时,提高了运行速度。