随着计算机技术和网络技术的快速发展,信息安全问题引起了广泛的关注和重视。为了提高信息安全性,密码学成了当前一个研究热点。S盒是分组密码系统中起着核心的作用的模块,通过提高S盒的设计水平就可以获得高可靠性的密码。传统密码学中采用代数方法构造S盒,虽然可以获得很高的非线性度,但是由于结构过于简单,差分性能相对较弱,无法抵抗代数攻击。混沌系统由于具有遍历性、混合性、对初始条件和参数的敏感等优点,可以用来设计更理想的S盒。因此,基于混沌系统的S盒研究引起了信息安全领域研究人员们的重视,利用混沌系统的优良特性构造新型S盒快速发展成为信息安全领域的一个热门研究方向。本论文主要围绕混沌S盒构造及其在图像加密中应用展开研究。利用混沌系统的优良特性构造出符合密码设计准则的固定的混沌S盒、动态的混沌S盒以及通过优化方法构造的混沌S盒算法,并将其分别用于图像加密。论文的主要研究内容如下:（1）设计实现了一种利用六维分数阶Lorenz-duffing混沌系统和O字形路径置乱构造S盒的方法。首先,在已有的六维Lorenz-duffing系统分析和研究的基础上,提出了一种六维分数阶Lorenz-duffing混沌系统,通过频域近似法对其进行数值仿真和电路仿真。电路仿真与数值仿真获得的结果是一致的,证实了设计的分数阶混沌系统的有效性和可行性。然后,利用其和O字形路径置乱构造S盒。接下来,由于混沌S盒在图像加密中越来越受到关注,提出了一种基于分数阶混沌系统的S盒的图像加密算法。首先,算法设计一个额外的256位密钥,使算法的密钥空间足够大。其次,算法使密钥与明文相关,从而使算法能抵抗选择明文和已知明文攻击。利用L-T级联映射置乱图像,并将置乱的图像分成若干个子块,再使用由分数阶Lorenz-duffing混沌系统构造的混沌S盒对每个子块进行块内置乱。最后,使用非线性混沌映射对子块进行扩散处理获得加密图像。实验结果表明,该算法取得了良好的加密效果。（2）设计实现了一种基于混沌动态S盒和DNA序列操作的图像加密算法。首先,设计一个额外的256位密钥,该密钥用来生成混沌系统的初始值、控制参数。其次,利用NC映射（新的混沌映射）置乱图像,并将置乱后的图像分成若干个子块,同时利用C-T级联映射和构造三角形的可逆二维映射构造动态S盒,并对图像块进行替代和DNA编码。接下来,利用C-T级联映射产生与图像块大小相等的数据矩阵,并利用改进广义二维Arnold变换对其进行置乱。然后,利用C-T级联映射产生五个随机序列,且利用前三个随机序列选择的DNA编码规则分别对DNA编码后的图像块、数据矩阵、置乱后的数据矩阵进行DNA解码。接下来,再利用剩余两个随机序列选择的DNA编码规则分别对DNA编码后的图像块、数据矩阵和置乱后的数据矩阵进行DNA运算。最后,对加密后的子块进行DNA解码,并按对应明文子块位置排列组成密文图像。实验结果表明,该算法具有更加灵活的对抗密码技术分析攻击的能力。（3）提出了利用优化方法实现S盒设计的新方案。首先,采用人工蜂群算法结合六维Lorenz-duffing混沌系统来构造S盒,其中将S盒评测指标中的非线性度和差分均匀度用作适应度函数,可以得到密码性能优异的S盒;然后,将该S盒用于图像加密。为了实现图像加密,其起始过程需要设计一个256bit密钥,使得密钥与明文相关;利用L-L级联映射置乱图像,将置乱的图像分成8个位平面,使用改进的广义二维Arnold变换分别对高四位的比特平面进行置乱,然后在和低四位的比特平面转换为图像,将由人工蜂群算法构造的混沌S盒转化为S₈ S盒;最后利用缠绕Logistic映射产生的随机序列和S₈ S盒对图像进行扩散处理,进而获得加密图像。实验结果表明,该算法具有抵抗常见攻击的能力。