当前,数字图像加密技术被广泛用于图像云存储、无线视觉传感网络（Wireless Visual Sensor Networks,WVSN）、远程医疗和战术侦察等领域。然而,不同的应用对象往往对数字图像加密算法的安全性能、抗干扰能力、运行效率和重建精度等主要性能指标有着不同的要求。依据这些特定需求可对图像加密方法进行分类。其中,常用于图像云存储的无损加密、适用于WVSN结构的压缩加密和为满足战术侦察等应用对密文信息的低可探测性要求而被提出的隐藏加密是使用较多的图像加密类型。混沌系统因具有确定随机性、有界性和对初始条件极度敏感等特点,被各类图像加密算法广泛使用;压缩感知（Compressive Sensing,CS）技术具有信息采集效率高、抗干扰能力强等优点,十分适合WVSN等结构下的加密应用;混沌压缩感知则更好地综合了两者的优势,利用混沌序列生成测量矩阵,进一步减小了加密过程所需的开销。然而,相关研究表明:现有基于混沌和压缩感知的图像加密方案在安全性能、抗干扰能力和重建精度等方面仍然存在可以提升的空间。因此,本文以现有基于混沌和CS的数字图像加密技术为基础,将提高相关加密系统的主要性能指标作为目的,针对其在不同应用背景下存在的问题提出相应的解决方案。具体研究工作主要包括:（1）大部分混沌系统的参数取值范围都较小,且在此范围内可能存在周期窗问题。为防止混沌系统在生成迭代序列过程中进入周期状态而影响加密序列的稳定性,利用三角函数对Logistic映射进行改进,设计了一种优化Logistic映射（Optimized Logistic Map,OLM）。提出的混沌系统参数取值区间更大且在取值区间内不存在周期窗问题,提升了相应图像加密序列的稳定性。此外,利用耦合映像格子结构在系统维度调节上的优势,基于OLM设计了一种优化耦合映像格子模型以增强其对不同性能需求场合的普适性。（2）针对当前基于混沌的无损加密算法在面对差分形式的选择明文攻击（Chosen-plaintext Attack,CPA）时普遍存在的抗攻击能力差的问题提出一种基于混沌相图轨道扰动的图像加密算法。利用明文信息对混沌系统的相图轨道施加扰动,使得即使密钥不变,设计方案中的加密序列也会随明文信息的微小改变而产生剧烈变化。此外,提出一种可破解现有混沌加密系统的基于CPA的差分分析方法以便验证所提方案的有效性。理论分析和实验结果表明,设计的加密方法以两轮加密操作即可达到抵御CPA的目的,在安全性能方面比现有基于混沌的无损加密方案更好。（3）鉴于WVSN等相关应用在强噪声或频繁阻塞情况下图像重建精度受影响较大的问题,提出一种基于CS和非均匀量化的图像压缩加密方法。所提方案在传统的均匀量化操作前加入参数可调的非线性预处理函数,使得量化资源的分配更趋合理,可在保证安全性能的前提下显著提高加密系统在恶劣环境下的抗干扰能力。（4）比特级图像加密方式是对传统的像素级别加密方法的拓展,在某些特定场合有一定的应用需求。然而,由于同等条件下比特级加密的工作量往往远大于像素级加密,通常存在系统运行效率很低的问题。本文结合数字图像各比特位置所表达的信息量不同的特点设计了一种比特级分级测量图像加密方法。提出以两次CS测量操作实现比特级别的加密操作,比现有比特级加密方案的运行效率更高。（5）为改善当前WVSN结构下图像隐藏系统普遍存在的抗干扰性能较差的问题,基于CS技术和多值化嵌入方法设计了一种图像隐藏加密方案。通过改变宿主图像DCT中频系数的取值区间,实现密文图像信息的嵌入。与现有将密文信息嵌入至宿主图像时空域上的最低有效位或变换域上的高频段系数位置等方案相比,所提方案优化了强噪声干扰环境下的重建性能;与将密文信息以二值化方式嵌入至宿主图像中频段系数位置的方法相比,设计的多值化处理方法在降低密文信息的可探测性与提高原始信息的重建精度等方面明显更优。此外,通过设置合适的阈值调节参数,设计的隐藏加密方案可以适配不同性能需求的应用场合。最后,由于系统直接将本文设计的基于CS和非均匀量化的图像加密算法作为待隐藏信息的加密工具,前端节点的运行效率和通信信道内载密图像的安全性能均有足够的保障。显然,设计的加密方案具备很高的实用价值。