公路桥梁结构安全对交通安全运营和区域经济发展起到关键作用，但由于交通荷载的快速增加和复杂变化，桥梁结构变形及安全状况实时监测的需求日益凸显。然而，以接触式传感器为主的结构健康监测系统存在安装施工难、维护更换繁、需要中断交通等局限。为此，该文提出了一种基于机器视觉的非接触式变形测量系统，利用模板匹配和特征点识别方法，实现结构表面标记的识别和关键位置的位移提取，并通过实验室和现场试验对视觉方法的准确性和稳定性开展测试。此外，针对实际桥梁结构运营状况建立相匹配的有限元分析模型，通过动静力学试验设定多级预警阈值，进一步判定结构的安全状况。试验结果表明：① 所建立的视觉变形测量系统位移测量误差在 5%以内，振动频率误差在 1%以内；② 基于模板匹配和特征点识别的测量技术能够对结构自有特征进行识别，满足长期性变形监测的需求；③ 通过多工况下有限元分析，可以为结构长期位移监测设置预警阈值。