彩色图像处理通常采用三通道分别处理的方案,不过该方案没有考虑到三通道的整体性和内在联系。因此,基于彩色图像四元数表示方法以及四元数代数理论,将彩色图像视为一个整体进行处理,并考虑三通道之间的相关性,本文开展了传统灰度图像处理工具在彩色图像加密和去噪领域中更有效的应用研究。本文的主要研究内容如下：(1)定义多参数分数阶四元数Fourier变换(Multiple-parameter fractional quaternion Fourier transform, MPFrQFT),把应用于传统灰度图像的多参数分数阶Fourier变换(Multiple-parameter fractional Fourier transform, MPFrFT)以尽可能小的色彩信息损失推广应用于彩色图像,并给出了其逆变换的证明和有效的离散实现；(2)结合双随机相位编码加密技术和分数阶四元数变换,提出基于MPFrQFT的彩色图像加密算法。实验结果分析表明,相对于现有基于四元数的双随机相位加密算法,基于MPFrQFT的算法与它们在统计分析测试和鲁棒性测试中都有着相似的良好表现,但是基于MPFrQFT的算法拥有更大的密钥空间和更强的变换阶数灵敏度；(3)采用基于四元数的彩色图像整体式处理方案,并根据脉冲噪声和高斯噪声的不同特性,结合基于四元数方向矢量排序统计的算法和改进后的基于四元数最优权值的非局部均值滤波器,提出一种彩色图像混合噪声去噪算法。提出算法充分考虑了三通道之间的相关性,能保留图像更多的纹理细节。