随着信息技术的发展,尤其是信息存储技术、传输技术、互联网技术的迅猛发展,使得信息交互的安全性愈发重要。数字图像加密技术,作为保护图像信息的有效手段之一,近几年来取得了长足的进步。混沌理论、相对论与量子力学被列为二十世纪的最伟大发现,混沌理论具有对初始条件和控制参数的敏感性,伪随机的轨道以及拓扑传递性。这些固有的性质使其可以应用于图像加密中。因此,从上世纪末以来涌现出了大量的基于混沌理论的图像加密算法,并取得了许多令人振奋的成果。然而,随着研究的逐步深入以及信息技术的不断进步,曾被认为是安全性强和效率高的图像加密算法,如今却被证实为不安全、效率低,甚至是不可用的。如何结合最新的研究成果,通过深入细致地分析,设计出高效率、强安全性的混沌数字图像加密算法成为亟待解决的问题。本文对基于混沌理论的数字图像加密的基础作了简要的论述,并结合已有基于混沌理论的数字图像加密的研究成果,深入分析目前图像加密算法,指出其中的不足并加以改进,并提出原创性的数字图像加密算法。本论文的研究工作和主要创新之处包括以下几个方面：(1)针对不同的需求,选择适合的混沌图像加密结构,本文对现有混沌图像加密算法结构进行比较。首先详细分析了现有混沌图像加密的关键步骤,并对常用的评价指标进行详细地说明。然后,对混沌图像加密结构做深入且全面的比较实验,通过实验找出最优的基于混沌理论的图像加密结构。最后对加密结构的抗干扰能力进行了分析；(2)为了增强密钥的安全性,本文提出基于密钥增强的混沌图像加密算法。该算法与传统的加密算法相比较,并没有增加余外的操作,可以保证算法的运行效率和合理的加密时间。通过与最新的研究成果比较,本文提出的混沌图像加密算法对不同尺寸和类型的图像均具有很好的加密效果。最后对加密算法的抗干扰能力进行了分析；(3)混沌图像加密算法的密码分析与改进。利用密码学分析理论,分析了由Ye提出的基于Logistic混沌映射的图像加密算法。通过解不等式方程组,证明其算法中存在的缺陷,利用该缺陷,设计实验成功地破解加密算法。并根据上述算法的设计缺点,提出了两种改进原算法缺陷的算法；(4)为了防止对加密后的图像进行恶意地篡改,本文提出了一种基于可逆整数变换的混沌图像加密算法及其认证算法。该算法首先利用可逆整数变换将明文图像分成高频部分和低频部分,使用混沌图像加密方法对低频部分进行加密,利用直方图修改的方法将水印信息嵌入高频部分,并通过整数变换的逆变换得到嵌入水印的加密图像。通过对算法的水印结果分析,验证算法的嵌入率和峰值信噪比的效果。针对该算法没有有效地加密明文轮廓信息的问题,提出了相应的改进算法,并有效地加密了明文信息。最后对水印算法的抗干扰和抗攻击的能力进行了分析；(5)提出一种新的DNA编码约束条件,并用于设计基于DNA编码的混沌图像加密算法。对现有的基于Hamming距离组合约束条件的DNA编码组合约束条件进行分析比较,通过实验结果确定最优的基于Hamming距离的DNA编码组合约束条件。最后,利用最优的DNA编码约束条件,设计了基于DNA编码的混沌图像加密算法。最后,对论文工作进行了全面的总结,并对今后的研究方向进行了展望。