图像加密及水印作为保护图像信息安全和版权的主要手段,近年来已成为信息安全领域的研究热点。双随机相位编码（Double random phase encoding,DRPE）作为光学信息安全领域最具有代表性的技术之一,近年来在图像加密及水印研究领域得到了广泛的应用。针对DRPE图像加密及水印系统中随机相位板密钥的管理、传输及更新,本文采用离散混沌系统构造了一种混沌随机相位编码（Chaotic random phase encoding,CRPE）方案。在该方案中,离散混沌系统的控制参数及初值可以取代整幅随机相位板作密钥。该方案将对整幅随机相位板密钥的管理、传输及更新转换为对混沌参数的管理、传输及更新。基于CRPE,并结合数字全息、光学变换、相位截断技术及变分图像分解等,本文提出了多种满足实际需要的灰度图像、彩色图像和多图像加密新方法,以及灰度图像和彩色图像水印新方法。具体内容如下:（1）在灰度图像加密方面,提出了一种基于CRPE和级联菲涅耳单幅数字全息的图像加密方法。在该方法中,灰度图像经级联菲涅耳变换域的CRPE后,被加密为单幅全息图;解密时,利用约束优化算法可将原图像信息从单幅全息图中较好地重构恢复出来。通过增加菲涅耳变换的级次,可以使该方法的密钥空间进一步增大,进而提高其安全性。大量的数值模拟实验验证了该方法的可行性、安全性和鲁棒性。（2）在彩色图像加密方面,提出了一种基于CRPE和单透镜傅里叶变换的多通道彩色图像加密方法,以及一种基于CRPE和Gyrator变换的单通道彩色图像加密方法。在这两种彩色图像加密方法中,采用菲涅耳变换对输入图像进行编码处理,成功解决了傅里叶变换和Gyrator变换加密系统加密实值振幅图像时输入平面处的随机相位板不能作密钥的问题。此外,相比双透镜傅里叶变换加密系统,单透镜傅里叶变换加密系统更加简单、更易实现。而Gyrator变换单通道彩色图像加密方法,由于对彩色图像进行先隐藏后加密,因此可以为彩色图像的信息安全提供双重保护。大量的数值模拟实验验证了所提出的两种彩色图像加密方法的可行性、安全性和鲁棒性。（3）在多图像加密方面,提出了一种基于CRPE和完全三叉树的多幅彩色图像加密方法。该方法将多幅彩色图像作为三叉树的叶子节点,而将三叉树的分支节点和根节点作为一个个独立的加密单元。在加密单元中,基于CRPE和相位截断菲涅耳变换,构造了一种非对称的单通道彩色图像加密系统。彩色图像经底层加密单元加密后,输出的加密结果作为上一层加密单元的输入图像,以此类推,经根节点处的加密单元加密后,最终输出为一幅类噪声的实值振幅图像。该方法保证了不同的彩色图像具有完全不同且相互独立的加解密路径。此外,通过增加三叉树的高度,还可以使系统的加密效率和安全性都得以大幅提高。另外,将彩色图像替换为灰度图像,该方法还可直接用于加密多幅灰度图像。大量的数值模拟实验也验证了该方法的可行性、安全性和鲁棒性。（4）在图像水印方面,基于CRPE和变分图像分解分别提出了一种灰度图像水印方法和一种彩色图像水印方法。在这两种水印方法中,为保护水印图像的信息安全,首先对水印图像进行了加密处理,而后将加密过的水印图像嵌入到宿主图像中。为了实现对灰度和彩色水印图像的加密,基于CRPE和相位截断菲涅耳变换,以及CRPE和相位截断线性正则变换,分别构造了一种非对称的灰度图像加密系统和一种非对称的多通道彩色图像加密系统。在灰度水印方法中,采用变分图像分解将宿主图像分解为卡通部分和纹理部分,并将加密后的灰度水印图像有选择地嵌入到宿主图像的纹理部分中。而在彩色水印方法中,采用变分图像分解将加密后的彩色水印图像分解为卡通部分和震荡部分,并采用小波变换和奇异值分解将这两部分分别嵌入到彩色宿主图像的不同颜色通道中。在这两种水印方法中,采用变分图像分解对宿主图像或水印图像进行处理,可以有效平衡水印不可见性和鲁棒性这一矛盾关系。大量的数值模拟实验表明,这两种水印方法除具有较高的安全性外,还同时具有较好的水印不可见性和较强的鲁棒性。