随着多媒体与网络技术的飞速发展,越来越多的图像在以Internet、无线网络等为代表的开放性网络中传播,极大地方便了信息的访问与共享。与此同时,图像信息的安全性得到了广泛的关注。与文字信息相比,数字图像具有容量大、冗余度高、可理解性强等特点。传统的分组加密算法,如Triple-DES、IDEA、AES等,并不适合于图像加密,尤其在加密速度方面,不能满足日益增长的网络实时传输的需求。混沌系统的许多基本特性,如对初始条件与系统参数极端敏感性、遍历性、伪随机性等,可很好地满足现代密码学构建高安全性加密系统的要求。此外,基于混沌的加密系统具有软硬件易于实现、加解密速度快等优势,非常适合于大容量图像的加密,实现数字图像的实时、安全网络传输的需求。本文在分析目前已有的混沌图像加密算法优势和缺陷的基础上,做了以下工作:(1)针对现有混沌置乱算法存在的周期性、不动点以及图像形状限制等缺陷,本文基于流体力学中模拟微观粒子迁移和碰撞的格子气模型,提出了一种基于改进格子气模型的置乱算法。通过引入一种改进的Hardy-Pomeau-Pazzis(HPP)模型,使算法具有良好的普适性,比特级的置乱过程也在该阶段引入了一定的扩散效应,使整体计算效率得到提高。针对现有扩散过程多采用低维混沌系统所带来的密钥空间小、安全性较低的缺点,本文在扩散阶段引入了多涡卷混沌系统。与低维混沌系统相比,多涡卷混沌系统具有更多的系统变量和更为复杂的动力学行为,使得加密系统具有更大的密钥空间和更强的不可预测性。(2)针对现有“置乱—扩散”加密体系中扩散过程计算负载过高的问题,本文提出了一种双向并行扩散算法。通过采用双线程碰撞机制,在理论上使用传统方法1轮的运算时间,即可得到理想的扩散效果,从而显著提高了加密效率。(3)针对现有图像加密系统的密码学评估缺乏统一定量评判标准的问题,本文通过对理想密文图像进行数学建模,在数学上推导了理想情况下的NPCR以及UACI的统计学分布模型、理想密文直方图的概率分布,运用统计学中显著性检验、区间估计以及皮尔逊χ2检验的方法,定量的给出了 NPCR、UACI的评价标准以及一定显著水平下衡量实际密文与理想密文分布的拟合标准。此外,在信息熵检验中采用了一种新的局部信息熵的评估方法,规避了全局信息熵评估效率低、不同大小图像之间测试比较存在不公平性以及部分情况下存在不准确性的问题。同时,对本文构建的加密系统进行了详尽的密码学分析与速度对比测试。密码学分析包括经典的密钥敏感性分析、密钥空间分析、相邻像素相关性分析,以及本文提出的直方图χ2检验分析,局部信息熵分析以及NPCR、UACI置信区间分析。实验结果表明,本文所提出与构建的图像加密系统可有效抵御各类常见的攻击手段,加密速度较经典分组加密算法有显著的提高,因此非常适合用于面向宽带网络的实时、安全图像传输应用。