Augmented Reality (AR) is increasingly utilized to guide users through complex spatial tasks in domains such as manufacturing, non-destructive testing, and surgery. These applications often require strict compliance with 5D+ trajectories using rotation-symmetric tools (3D position, 2D orientation, and movement speed). However, the sensori-motor baselines of untrained users during these multidimensional tracing tasks, along with the cognitive-motor trade-offs induced by varying visual feedback paradigms, remain underexplored. We present a controlled within-subjects user study (N=30) evaluating three distinct AR UI concepts for trajectory guidance, both with and without explicit orientation constraints. We analyzed spatial, orientational, and speed compliance based on the internal AR tracking, which was validated against a high-precision external optical tracking system to rule out hardware drift. By segmenting the execution into transient and steady-state phases and applying Aligned Rank Transform (ART) ANOVA, we isolated the interaction effects between visual design and task complexity. Alongside subjective metrics (NASA-TLX, SUS), our results establish conservative performance baselines for novice users performing freehand 5D trajectory following. We reveal orientation-induced cognitive-motor trade-offs and identify mitigating UI synergies. Ultimately, we provide empirical baselines and actionable design guidelines for developing effective AR guidance systems.


翻译:增强现实(AR)越来越多地被用于引导用户完成制造、无损检测和手术等领域的复杂空间任务。这些应用通常要求使用旋转对称工具严格遵循5D+轨迹(三维位置、二维方向及运动速度)。然而,未经培训的用户在执行这些多维追踪任务时的感觉运动基线,以及由不同视觉反馈范式引发的认知-运动权衡,仍研究不足。我们开展了一项受控的受试者内用户研究(N=30),评估了三种不同的AR用户界面概念在有无显式方向约束下的轨迹引导性能。基于内部AR追踪,我们对空间、方向和速度的符合度进行了分析,并通过高精度外部光学追踪系统验证以排除硬件漂移。通过将执行过程划分为瞬态和稳态阶段,并应用对齐秩变换(ART)方差分析,我们分离了视觉设计与任务复杂性之间的交互效应。结合主观指标(NASA-TLX、SUS),我们的结果为新手用户执行徒手5D轨迹跟踪建立了保守的性能基线。我们揭示了方向诱导的认知-运动权衡,并识别了减轻这一权衡的界面协同效应。最终,我们为开发有效的AR引导系统提供了经验基线和可操作的设计指南。

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