随着计算机技术的高速发展,图像、视频等多媒体信息越来越多地需要在网络上进行传输,而图像信息常常会涉及到个人的隐私信息、公司的战略利益、政府的军事机密等,因此产生了图像信息的安全问题。图像加密是解决图像信息安全最直接和首要的问题,其既可以作为数字图像水印的预处理步骤,又是相对独立的信息安全分支。本文简要论述了图像加密、时空混沌理论和多核并行计算技术的基础理论知识,改进了耦合映象格子模型,分别构造了实数域和整数域的非线性耦合帐篷映象格子模型,并且基于整数模型设计了基于混淆和扩散的比特级图像加密算法和基于DNA编码及多核技术的并行图像加密算法。主要研究内容如下:(1)基于耦合帐篷映象格子模型,引入Arnold猫映射代替相邻耦合作为模型格点间的耦合方式,并且取消了模型的耦合系数,采用全耦合方式,构造了实数域的非线性耦合帐篷映象格子模型,此模型能够快速并行地产生多维伪随机序列,且多维伪随机序列同时具备均匀性和独立性两个特征,从而克服了现有的混沌伪随机序列发生器设计中的根本性缺陷。(2)采用整数Tent映射作为非线性函数,对实数域的非线性耦合帐篷映象格子模型进行了整数化,构造了整数域的非线性耦合混沌模型,该整数域模型继承了实数域模型在空间上的并行迭代特征和时间上的耦合扩散机理,能够快速并行地迭代生成多维整数伪随机序列,并且解决了计算机运算过程中的数据截断问题,大大提高了模型的运行速度。从互信息、差值特性、均匀分布特性等方面对模型的密码学特性进行了分析,仿真结果证明,模型能够快速并行地生成分布均匀、相互独立的多维整数伪随机序列。(3)基于整数域的非线性耦合混沌模型,充分利用混淆和扩散的基本思想,设计了一种比特级图像加密算法。利用整数非线性耦合时空混沌模型迭代产生的多维整数伪随机序列与多行图像像素值并行进行求和、取模运算,从而对图像像素值进行充分混淆,得到中间密文;将中间密文按比特位进行分组,并对各比特组的中间密文分别采用不同参数的猫映射模型进行置乱扩散,既避免了猫映射存在的短周期问题,又极大提高了加密算法的复杂度。(4)基于整数非线性耦合时空混沌模型,采用DNA编码计算技术和多核并行计算技术,设计了多核并行彩色图像加密算法。采用数据式并行循环方法对整数伪随机序列和图像像素值进行快速并行异或运算,并将中间密文采用不同的DNA编码规则进行求补运算,然后采用任务式并行方法将彩色图像的RGB三原色分量两两做DNA加法运算,进而生成最终密文。并行图像加密算法采用.NET4.0实现,从算法的运行速度、抗统计攻击分析和抗差分攻击分析等方面对算法的加密效果进行了分析。