随着社会进入大数据时代,计算机处理和运算性能的大幅提升,数字图像因其信息量大、直观等特点成为多媒体信息最常见的一种重要形式。信息增长伴随而来的是信息安全威胁。近年来,研究人员利用混沌系统的一系列优良特性,实现对数字图像的加密。现有加密方法中,大多是基于低维混沌映射,密钥空间较小;而且只在空域进行加密,安全性受到了很大的限制。论文以图像加密方法为研究主线,首先分析了混沌系统的动力学特性,然后通过信号耦合的方法构建八维超混沌系统,最后提出一种基于二维变分模态分解(2D-VMD)和超混沌系统的彩色图像加密方法。一方面,在现有混沌系统的基础上,分别在两个相同的混沌系统中加入线性耦合项,实现两个系统的复合,构建一个新的高维超混沌系统。通过对系统的耗散性分析、平衡点分析、Lyapunov指数分析、吸引子相图以及功率谱图的绘制,详细地分析了混沌系统的动力学特性,并通过SP800-22套装对所产生的混沌序列进行随机性测试。分析结果表明,系统是超混沌的,超混沌系统动力学特性复杂,所产生的混沌序列具有较强的随机性。另一方面,在“混淆-扩散”的加密框架下,提出一种基于2D-VMD和超混沌系统的彩色图像加密方法。首先通过2D-VMD方法将图像分解成若干个模态;然后将超混沌系统结合明文产生的混沌序列,作为置乱阶段的密钥序列,将原始序列的子序列进行组合,并进行均匀化处理,处理后的序列作为扩散阶段的密钥序列;最后,分别对各模态进行混沌加密。实验验证,生成的密文序列可以通过SP800-22伪随机性测试,对密文进行直方图、信息熵、密钥敏感性、抗差分攻击等测试,证明2D-VMD可以在一定程度上减小图像相邻像素之间的相关性,整体算法具有较大的密钥空间和较高的安全性。