信息时代的飞速发展让信息传递更加迅速和便捷,图像信息因其具有形象直观传递信息的特点,无论是在民用领域还是在非民用领域的数据通信中运用的尤为广泛。因此,图像在传递过程中的安全问题也更加值得我们关注。由于图像数据量庞大,冗余性严重,且数据存储结构呈二维空间分布,用传统的加密方式加密效率非常低,需要一种适合图像的新的加密方式来提高加密效率。基于混沌映射与加密系统两者之间的诸多共性,例如:混沌的拓扑传递与混迭特性类似于密码的扩散与混淆特性;混沌对参数的敏感性则对应着密码对密钥的敏感性;混沌映射通过多轮的迭代获得指数分离的轨道,加密系统则通过多轮的置乱与替换将明文打乱。本文的主要工作如下:首先,介绍了密码学和混沌理论的基本概念,为基于混沌理论的图像加密方法研究奠定基础。阐述了光学干涉、菲涅耳衍射、透镜的傅里叶变换的数学模型,为基于混沌理论的虚拟光学加密系统提供了理论基础。其次,提出了一种基于Logistic混沌映射的比特级数字图像加密方法。灰度图像的每个像素值采用八位的二进制数来表示,将二维灰度图转换为一维的0和1的数码串来处理。根据给定的初始值由Logistic映射及生成混沌序列,对混沌序列进行排序,得到位置索引,根据位置索引对原始图像进行比特级的置乱操作,可以达到集像素融合和像素置乱于一体的图像加密结果。然后,进一步提出了一种基于Lorenz混沌系统的比特级彩色数字图像加密算法。针对彩色数字图像的三个分量R、B、G,用Lorenz混沌系统产生的x,y,z三个维度的混沌序列分别进行加密,最后再合而为一。加密时,把每一个十进制的像素值看成是八位二进制数,利用混沌序列的升序排列位置索引进行置乱,达到像素融合的目的,实现图像的加密。最后,将混沌系统和虚拟光学系统统一起来,提出了一种基于混沌的虚拟光学成像加密系统,用混沌序列产生随机相位模板和随机振幅模板,并进行联合调制,相对于传统的随机模板而已,用混沌序列产生随机模板可以减小密钥的体积,提高加密效率。