从一门分形学科的产生(Mandelbrot，fractal geometry，1975年)，到掀起的分形图形热潮，经历了不过短短的30年，被卷入的不只是数学家，还有物理、化学、生物学等其他学科的科研工作者，从而产生了与混沌相关的一门复杂性研究的新学科。在数学意义上讲，混沌(Chaos)与分形是密不可分的。在这其中衍生的元胞自动机更是为混沌研究和实际模拟事件提供了一个很好的工具。元胞自动机不仅可以应用于植物的模拟生长和随机分子布朗运动等，还可以应用于图像压缩，图像增强等图像处理方面。本文对元胞自动机作了个整体系统分析，从一维元胞自动机到三维自动机，利用计算机图形学给出它们的动态演化图，选取一些特殊的元胞自动机展示出它们的复杂而有规律的图案。还模拟了三维的“生命游戏”。在固定的一些初始状态和元胞自动机的规则号下，生成了类似著名的Sierpinski三角形等其他的拼贴图案。第三章在介绍动力系统知识背景后，分析一维元胞自动机和二维元胞自动机的分形维数，还利用图像到数值的一个变换讨论了二维元胞自动机的自相似的分形性质。介绍系统的知识背景后，我们把这些特性应用到图像处理方面。第一，图像的置乱。二维元胞自动机具有对初始值敏感，迭代得到的序列混沌却又不混乱这种很好的规律，给图像置乱带来了可行性。选取了一些有混沌性质的规则号224、816、35852作为迭代函数进行了图像置乱，具有混沌性质的那些规则号都可以达到置乱的效果，得到了良好实验结果。第二，图像水印技术。采取隐藏水印信息不可见水印技术，选取规则号为816的二维元胞自动机进行水印嵌入和提出。还对嵌入水印的图像进行了人为攻击试验，如图像进行大面积切割、覆盖，无规则性切除，加上无规则污点，Jpeg压缩等，然后再进行水印恢复提取，结果显示了元胞自动机的有利性质，进一步证实了它的鲁棒性。总之，元胞自动机的优点能为人类研究混沌分形等提供了一种可靠的工具。它被广泛应用于各个领域。