随着现代通信技术和网络技术的发展,图像信息已经成为信息交流的重要载体。为保证信息的安全,人们对信息的加密性能提出了更高的要求。因为图像数据信息量大且冗余度高,那些对文本信息加密有良好效果的算法并不适合于图像加密。因此,如何保证数字图像信息的安全成为研究的热门课题。针对图像数据信息的特点,同时为提高图像加密的效率和安全性,目前许多图像加密算法都运用了混沌理论。混沌系统是一种高复杂的非线性动态系统,具有伪随机性和确定性,以及对初始条件和系统参数的极端敏感性。且生成的混沌序列具有非周期性和类随机特性。同时混沌序列具有良好的密码特性,非常适合于信息加密。利用混沌序列进行图像加密,加密后的图像灰度分布均匀,相邻像素点的相关性小,加密效果好,安全性高。本文介绍了混沌的定义、基本概念、特征、判别方法及几种典型的混沌系统。研究了目前几种常见的图像加密方法,并在此基础上深入研究了基于置乱-扩散型的图像加密方式,对其进行了安全性分析。本文设计并实现了一种基于置乱-扩散型的图像加密算法,即基于三维Cat映射的图像加密算法。该算法使用三维Cat映射作为图像置乱变换的混沌系统,并基于Logistic映射对扩散变换进行了改进,提高了算法的安全性。同时,也指出了该算法存在的不足,为此,本文另提出了一种改进的基于置乱-扩散结构的、控制参数可变的图像加密算法。在改进算法的每轮加密过程中,置乱的控制参数除了与密钥相关之外,还受到本轮的加密图像特定像素点的值的影响;同时,扩散阶段的密钥流来源于一个混沌映射,它与明文相关且受到密文图像的反馈,这使得对每个像素点进行扩散变换所使用的密钥均不相同。此算法可以抵抗已知明文攻击和统计攻击,安全性得到了进一步的提高。为验证两种加密算法的加密性能,应用Matlab仿真平台对原算法及改进算法分别进行了加解密实验,并进行了安全性分析,其结果验证了加密算法的可行性和有效性。