通信技术的快速发展使得图像、文本和语音数据可以直接通过各种终端设备进行存储与传输,与此同时数据的安全问题也随之而来,例如个人的隐私数据很容易被非法获取。为了保障数据的相对安全,密码技术越来越多地受到人们关注。在信息安全领域中,加密算法和Hash函数是两项基本方法。现今由于信息技术的发展使得部分传统密码算法受到威胁,于是研究者逐渐将目光转向新的密码学研究领域。其中,基于非线性科学的混沌理论,自发现之日起便以其自身良好的类随机性、遍历性、不可预测性和初始条件敏感性受到广泛关注,已成为密码学中一个重要的研究热点。近些年来混沌理论在加密算法和Hash函数领域的研究取得了较大进展,但由于混沌理论研究还不够成熟,现有的研究成果尚缺乏一个统一的标准,而且在安全性和效率方面也存在不足。在研究混沌应用的过程中,学者们注意到混沌退化在一定程度上会降低密码系统的安全性,因此混沌系统在有限精度下动力学特征退化这一现象引起了广泛的重视。本文基于现有的研究成果,在充分考虑延缓数字混沌退化的基础上,以帐篷映射为切入点研究混沌系统在图像加密和Hash函数构建方面的算法设计。本文的主要工作体现在以下四个方面：1.首先介绍了课题的研究背景,包括混沌理论的发展历程及混沌密码学,然后给出了本文的几个创新点。描述了密码学的基本模型,并揭示了混沌系统自身特征与密码学所要求的“混淆与扩散”之间的异同。简单总结了当前混沌在退化、图像加密以及Hash构建这三个方面的研究现状。最后对混沌密码学领域尚存在的不足做了分析,并给出了相应的解决思路。2.针对数字混沌的退化现象提出了一种基于帐篷映射和切比雪夫映射的改进系统,利用Lyapunov指数定义对帐篷映射的参数进行扰动。帐篷映射作为初始的随机数发生器,每次自迭代产生的状态值再经过一次切比雪夫映射,如果经切比雪夫映射后的状态值落入一个固定区间,这个状态值不仅会作为最终的系统输出也将被反馈给帐篷映射并取代原有的参数。测试结果表明改进系统在自相关性、近似熵、混沌吸引子方面有着更加优良的特性,同时有着良好的初始条件敏感性并通过了SP 800-22随机数测试。3.采用帐篷映射与切比雪夫映射得到的改进系统实现了一种图像加解密算法。首先将明文与密钥量化为一个0到1之间的小数作为系统初值。利用系统轨迹构建了两个一维的遍历矩阵,用于像素置乱。像素替换的过程由一种可逆的除运算完成,像素替换的时序由混沌状态值控制。性能分析表明,图像加解密算法具有足够大的密钥空间以抵抗暴力破解,并拥有较高的效率,而且有能力抵抗统计性分析、差分攻击、已知明文攻击和阻塞攻击等基于密码分析学的破解方法。4.利用FPGA定点小数实现了一种基于耦合映像格子与帐篷映射的高维混沌系统,并利用该系统设计出了一种具有Hash函数功能的嵌入式安全模块。该模块可以快速生成固定长度的二进制信息认证码,并且占用的硬件资源相对较少。该模块所生成的信息认证码对初始条件非常敏感,在基于“混淆与扩散”的统计性测试中也达到了较理想的状态。最后以此安全模块为基础制定了一种信息认证的规则,用于嵌入式系统的版权保护。