在当前互联网快速发展的大背景下,越来越多的数字图像被应用到各行各业,如何提高传输和储存数字图像的安全性受到研究者的关注。混沌系统具有遍历性、确定性和对初始条件和控制参数的敏感性等特点,而这些性质非常符合图像加密机制的要求,因此近些年出现了越来越多的混沌图像加密机制。由于图像数据具有冗余度高、相邻像素相关性强等特点,混沌图像加密算法在效率和安全性等方面比传统的加密算法具有更强的优势。然而,其中一些基于非随机扩散的混沌图像加密算法被密码分析工作者证明是不安全的。研究者通过对混沌图像加密算法进行密码分析,查看其中是否存在安全漏洞,从而藉此破解该加密算法,并提出更加安全的图像加密算法,进而促进密码学不断发展与完善。本文对两种最新的基于非随机扩散的混沌图像加密算法进行了密码分析,发现了它们中存在的安全漏洞,证实了它们使用的非随机扩散不够安全,并基于这些漏洞提出了相应的攻击方案。为了弥补这些漏洞并提高这些算法的安全性,本文还提出了基于随机扩散的多轮混沌图像加密算法。本文的主要研究内容概括如下:（1）对Pak等人提出的基于一轮置乱-扩散结构的位级彩色混沌图像加密算法进行了密码分析,发现该方案使用非随机扩散及和明文无关的密钥;然后提出了计算复杂度为（?）的攻击方案,并对提出的攻击方案进行了仿真实验,成功破解了该加密算法,验证了攻击方案的有效性并进一步证实了非随机扩散不够安全;最后还对该方案提出了三条合理的改进建议。（2）对Mondal等人提出的基于置乱-位扩散结构的多轮混沌图像加密算法进行了密码分析,发现该方案使用非随机扩散及和明文无关的密钥,并证明了该方案等价于具有置乱-位扩散结构的一轮混沌图像加密算法;然后提出了两个计算复杂度分别为O（「log2（W×H）」+1）和O(「log256（W×H）」+1)的攻击方案,并分别对它们进行了仿真实验,进一步证实了非随机扩散不够安全及两个攻击方案的可行性;最后还给出了三条合理的改进建议。（3）在对上述方案进行密码分析的基础上,提出了一种基于随机扩散的改进多轮混沌图像加密机制。该机制使用和明文图像相关的密钥,在每一轮加密过程中都增加了替代过程并使用了随机扩散函数,从而增强抵抗选择明文攻击的能力;然后还使用提出的两个攻击方案对该加密机制进行了攻击测试和密码分析;最后通过对一系列评价指标进行测试,证明了改进加密机制具有较高的安全性和较强的鲁棒性,可以抵抗选择明文攻击。