伴随着计算机与现代通信技术的飞速发展,以数字图像为代表的多媒体信息因其具有直观、生动、形象等特点,已成为互联网中一种最为常见的信息表达方式。由于图像数据往往涉及与个人、商业、军事、金融、医疗、科研、政治等相关的敏感信息,如何保证其在开放性网络环境下的安全传输与存取已成为密码学与信息安全领域的热点研究课题之一。加密是保障信息安全最简单且最有效的方式。然而,现有实验结论表明,常用的分组加密算法如DES、IDEA、AES等并不适用于图像加密。这是因为与普通文本信息相比,数字图像具有容量大、冗余度高、可理解性好等特点,而现有的分组加密算法均未考虑到图像的这些专有特性。混沌理论的发展为图像加密提供了一个新的手段和方法。混沌系统具有的遍历性、对初始参数和初值状态的极端敏感性、伪随机性等特点,使其与密码系统有着天然的内在联系。近十年来,混沌密码学得到了广泛的研究,已成为现代密码学的一个重要分支。本文对近年来国内外学者提出的混沌图像加密算法进行了分析和总结,从引入扩散机制的置乱算法、混沌变量流复用以及格雷码图像置乱三个角度进行研究探索,提出了 6种各具特色的混沌图像加密系统。此外,本文针对近期逐渐引起关注的图像置乱光学双随机相位联合加密系统进行了密码学分析,提出并验证了一种选择明文攻击方法。此外,在不增加任何复杂度的基础上对该算法进行了改进。本文的创新点可概括为以下四个方面:(1)针对传统混沌图像加密算法扩散速度较慢的问题,提出了两种在置乱中引入扩散机制的图像置乱方法,并以此为基础构建了两个完整的图像加密系统。作为置乱方法,新提出的算法首先保证了其能在较低的复杂度下获得优秀的、可与Cat等传统算法媲美的图像置乱性能。作为主要的创新点,该算法在实现图像置乱的同时,具备一定的差异扩散能力。也就是说,即使原文中仅有一点不同,在置乱图像上也将被扩散为大面积的差异。如此一来,该算法可以有效克服在传统加密架构中仅依靠扩散模块获得差异扩散性能的缺陷,从而减少加密所需的扩散次数,使得系统整体的加密速度也随之得到提升。(2)针对传统混沌图像加密算法置乱和扩散密钥流独立产生以致混沌变量流利用率不高的问题,提出了三种基于混沌变量流复用的加密技术。传统加密算法中,置乱和扩散是相互独立的模块,各个阶段的混沌变量独立产生,各自使用。但一般而言,混沌变量流的产生过程往往比置乱和扩散操作更为耗时,高计算代价生成的混沌变量流并没有得到充分的利用,系统的效率也随之受到影响。本文提出的三种技术可以实现混沌变量流一次产生,然后从不同维度进行复用以生成置乱和扩散阶段所需要的密钥流。如此一来,加密所需的混沌迭代和量化的次数将成倍降低,加密速度也将随之显著提升。(3)提出一种基于格雷码置乱技术的图像加密系统。混沌图像加密系统中,系统的主要耗时源自混沌迭代和量化时所需的大量浮点数运算。针对于此,本课题从全新的研究方向入手,提出了一种基于格雷码的图像置乱方法。该方法采用最新的(n,k,p)格雷码研究成果,通过探索其内在的非线性特征,设计了一种有效的图像置乱方法。因为格雷码的转换仅需要进行有限的异或和右移,而这些操作都是CPU的原子(Primitive)操作,具有很快的执行速度,所以该置乱方法也拥有比传统算法优越的加密效率。以该置乱算法为基础,结合使用轨道扰动图像扩散模块,构建了一个完整的图像加密系统。(4)提出一种图像置乱双随机相位联合加密系统的选择明文攻击方法。该联合加密系统综合利用了混沌技术和光学技术的优点,被认为具有较高的安全性能。本文通过详细的密码学分析发现,该系统并未能克服各自存在于图像置乱和双随机相位编码系统内部的安全弱点,提出并验证了一种选择明文攻击。实验结果验证了该攻击的有效性。此外,在不增加系统复杂度的基础上,本文对该系统进行了改进,并对其安全性能进行验证。