混沌理论与密码学之间存在很多本质联系。近二十年来,为了设计出有效加密图像数据的密码系统,利用混沌系统的特性结合Shannon的置乱扩散原则构造加密算法的方法被广泛应用在图像加密领域。然而,基于密码分析学的研究,有相当一部分图像混沌加密机制已被证明是不安全的。研究者通过对密码系统进行安全性分析,提出相应的破解方案,进而促进加密算法更完善。本文对三个基于置乱扩散框架的图像加密算法进行了密码分析,指出加密算法中存在的安全缺陷,提出了相对应的攻击方案,成功破解密文得到了明文,最后提出了弥补这些安全缺陷的改进方案。本文关于密码分析和图像混沌加密技术的主要研究成果可以概括为:(1)针对Niyat等人提出的与明文相关的单轮置乱扩散彩色图像加密方案进行密码分析。该加密算法根据混合超混沌系统和自动细胞机技术构建出伪随机数生成器,然后产生伪随机数序列加密明文图像。然而,经过分析发现该加密算法存在三个安全缺陷:扩散效应存在失灵情况、明文相关的密钥空间小以及扩散过程仅使用异或运算。提出的基于已知明文攻击和选择明文攻击的方法可有效求解出加密方案的等价密钥。(2)针对两个典型的基于两轮置乱扩散框架的图像混沌加密机制进行密码分析。通过分析2015年提出的基于拉丁方的图像混沌加密算法和2017年提出的在扩散中使用不同密钥的改进算法,总结出两个方案均存在的关于扩散函数的性质,如扩散效应可取消等。并基于这些性质,使用选择明文攻击方法加以攻击,得到了两轮置乱扩散使用的所有四个不同密钥的等价密钥序列。(3)根据以上密码分析工作,总结出混沌加密方案存在的安全性问题,并设计出具备更高安全性的图像混沌加密机制。通过直方图分析、相关性分析、密钥空间分析、敏感性分析、信息熵分析、鲁棒性分析等安全性实验全面验证了所提出的图像混沌加密机制的安全性。