随着计算机网络和信息技术的快速发展,以图像作为载体的传输比例正在逐步递增。由于图像的信息可能涉及个人隐私,所以为图像的安全性提供保障是非常必要的。大量学者对混沌与密码学研究过程中发现,基于混沌的密码系统具有优异的性能。本文以混沌理论为基础,对图像加密算法进行研究。为了得到一个安全有效的加密方案,需要选择合适的混沌系统作为密钥序列发生器,并将置乱算法和扩散算法进行有效组合,构造一个合理的图像算法框架。因此,本文做了以下工作:阐述混沌理论和密码学的基本概念,分析经典混沌系统的动力学特性并构造了一个三维连续混沌系统。论述了混沌理论与密码学的相关性,说明将混沌理论应用于密码学的可行性,为后续的研究奠定理论基础。为了获得性能优异的伪随机序列,本文对连续系统的离散化和量化问题进行了研究。对常用的量化方法进行改进,将所得到的序列进行随机性测试,证实改进后的量化方法可以有效避免生成的序列存在大量长游程的现象,其中改进的Lorenz量化方法所生成的序列性能最佳。利用NIST测试,验证了上述方法生成的序列可用于图像加密。本文对空间域常用的置乱和扩散算法进行了研究,并分析了加密效果。通过推演Josephus遍历过程,提出了一种改进的Josephus图像置乱加密算法,该算法能更有效地降低图像相邻像素之间的相关性,为后文加密算法结构的设计提供依据。结合混沌理论、改进的Josephus置乱算法和扩散算法,提出了一种基于置乱扩散机制的混沌图像加密算法。该算法与传统加密算法相比,具有更高的安全性,能有效地抵抗选择明文和已知明文攻击。通过搭建GUI界面,满足了用户对选定区域加密的需求,使研究更具有应用价值。