科学技术的发展使得信息的传递越来越频繁,越来越重要。伴随而来的,是层出不穷的信息安全问题。信息安全包括多个方面,图像数据的安全是信息安全的一个重要研究方向。传统的图像加密算法是通过设计一套图像加密系统,把原始图像加密成为噪声图像或者纹理质地的图像,其安全性主要依赖于算法的安全性和密钥的安全性。传统的图像加密算法在一定程度上保障了图像信息的安全性,然而密图的噪声质地或者纹理质地的视觉特点,使得其很容易被攻击者确定为攻击对象,因此,本文将设计视觉有意义的图像加密算法。经过该算法进行加密后得到的图像将是一幅视觉效果与普通图像没有差别的图像,因此可以躲过攻击者的注意。本文利用了离散量子随机游走(Discrete Quantum Random Walks,后文简称DQRW)、离散小波变换等技术设计了视觉有意义的图像加密算法,本文具体研究内容为以下几个方面:首先,本文基于游走在(2N+1)*(2N+1)图上的DQRW设计出了一个伪随机数生成器(Pseudo Random Number Generator,后文简称PRNG)。量子随机游走(Quantum Random Walks,后文简称QRW)具有高度非线性的特质,因此理论上来说基于其设计的密钥生成器拥有无限大的密钥空间。除了这个优点以外,QRW模型可以用来创建效果优良的量子算法,这些量子算法会比它们的经典对应运行速度快很多。应用量子的一些特性,比如量子干涉、量子纠缠,粒子可以在每一步同时以不同的概率向不同的方向运行,这样可以使得该游走表现出比经典随机游走更混沌的非线性动力行为。通过非周期性、统计复杂度度量、递归图、随机性测试这几项安全性测试,可以看出该PRNG具有优良的安全性,证实了该模型作为密钥生成器的优越性。其次,基于已经设计出的PRNG设计了一种视觉有意义的灰度图像加密算法(Visually Meaningful Gray Image Encryption,后文简称VMGIE算法)。该算法第一部分是密钥生成器,第二部分是一种双向扩散图像预加密算法,该预加密算法通过改变像素点的像素值和图像像素点的位置,把待加密的明文图像加密成为噪声图像或者纹理质地的图像。通过直方图分析、相关性分析、信息熵分析、密钥敏感性分析、随机性测试证明了预加密算法的安全性。第三部分是第二步加密算法,该算法把噪声预密图加密成为视觉有意义的密图。经过VMGIE算法加密得到的最终密图视觉性能非常好,视觉效果与普通图片无异,因此攻击者不能很快地从大量的图像中准确定位攻击目标。本文对该加密算法进行了密钥安全性分析、视觉安全性分析、裁剪攻击分析、计算时间分析。通过分析各项测试结果可以发现本文设计的VMGIE算法具有非常优越的图像保密效果。最后,基于前文的内容设计了一种视觉有意义的彩色图像加密算法(Visually Meaningful Color Image Encryption,后文简称VMCIE算法)对彩色图像进行加密,并通过直方图分析、相关性分析、视觉安全性分析、裁剪攻击分析、密钥敏感性分析、随机性测试证明了其安全性。