Dado el alcance de la misión de Worldcoin, nuestro enfoque siempre se articula en torno a un conjunto de principios fundamentales basados en la privacidad, la confianza y la transparencia.
Por ello, nos comprometemos a hacer que la mayor cantidad posible de la tecnología que estamos creando y usando sea de código abierto. También queremos permitir que otros desarrollen, construyan y operen dispositivos similares que se integren con el protocolo de World ID, con el objetivo final de descentralizar completamente cada parte del proyecto.
El propósito de esta publicación es compartir detalles importantes específicos sobre el hardware que construimos. Después de tres años de I+D, estamos emocionados de presentar el Orb, explicar a un nivel alto cómo funciona y publicar los archivos correspondientes de ingeniería de hardware. Consideramos que este es un paso importante en nuestro recorrido para aumentar la credibilidad de nuestro compromiso con la transparencia ante la comunidad global.
En los próximos meses, publicaremos más artículos que explicarán otras partes del flujo de registro y del Orb.
¿Por qué necesitábamos un hardware a medida
y por qué escanear el iris?
Cuando Worldcoin comenzó, no teníamos la intención de desarrollar un dispositivo físico, mucho menos construir uno que tomara imágenes biométricas. Construir hardware a medida es difícil y costoso, y nadie quiere hacerlo si puede evitarlo. En ese momento, nuestro objetivo era distribuir gratuitamente un nuevo token digital a todas las personas del mundo para ayudarlas a acceder a la economía global y participar en ella. Tras darnos cuenta de que el reconocimiento biométrico era el único método realista de alcanzar nuestro objetivo, nos propusimos crear el Orb.
Conoce más sobre la inclusividad del reconocimiento biométrico y por qué Worldcoin lo usa aquí.
Mientras analizábamos diferentes formas de establecer resistencia a los ataques de Sybil (ataques en simultáneo desde un mismo nodo con múltiples identidades) y verificar la unicidad de identidad, nuestra investigación demostró que el escaneo del iris ofrece los datos biométricos más precisos con una experiencia de usuario positiva que se ha probado a escala con éxito. Esto se debe a que el iris tiene una alta resistencia al fraude y riqueza de datos, lo que significa que puede utilizarse para diferenciar de forma precisa entre miles de millones de seres humanos distintos. Cuanta mayor riqueza de datos tenga un marcador biométrico (p. ej., el iris), más justo e inclusivo será el sistema.
Es importante remarcar que los falsos positivos no son constantes pero aumentan al aumentar la escala. Llega un punto en que la mayoría de los sistemas se chocan contra una pared y no permiten que nadie nuevo se una. Esto significa que las tecnologías existentes con menor riqueza de datos, como FaceID, solo tienen capacidad para algunos millones de personas.
Como los dispositivos de toma de imágenes de iris disponibles comercialmente no satisfacían nuestras necesidades de seguridad y tecnología, dedicamos años al desarrollo de uno propio para permitir el acceso universal a la economía global de la forma más inclusiva posible. Puedes conocer más detalles aquí.
Repositorio de hardware del Orb
Como primer paso para hacer que el Orb sea de código abierto, estamos publicando todos los archivos de ingeniería relacionados con el hardware relevantes para su versión actual en nuestro repositorio. Puedes descargar Eagle (placas de circuito impreso [printed circuit board, PCB]) para ver los archivos y usar visores CAD de Autodesk de forma gratuita. Recibimos e incentivamos los comentarios para poder mejorar el diseño.
Somos conscientes de que, al desarrollar el Orb, estamos haciendo avanzar el desarrollo del reconocimiento biométrico del iris. Es por esto que todos los archivos se publican en virtud de una licencia basada en la licencia MIT pero que prohíbe el uso de los materiales con licencia para aplicaciones de vigilancia, al igual que cualquier otra aplicación que pueda ser perjudicial para los derechos de las personas.
El resto del artículo hará un desglose del Orb, incluyendo algunas anécdotas de ingeniería.
Desglose del Orb
Tres años de investigación y desarrollo, incluyendo un año de prueba de campo a pequeña escala y un año de transición a la fabricación a escala, han culminado en la versión actual del Orb.
El Orb actual representa un equilibrio preciso entre velocidad de desarrollo, compactibilidad, experiencia del usuario, costo y producción a escala con mínimas concesiones en cuanto a la seguridad y calidad de la toma de imágenes. Es probable que haya versiones futuras incluso más optimizadas. Sin embargo, la versión actual presenta un hito clave que nos permite aumentar la cantidad de Orbs en uso.
Ahora describiremos algunos de los detalles de ingeniería más importantes del Orb, así como el funcionamiento del sistema de toma de imágenes. Por motivos de seguridad, excluiremos intencionalmente los mecanismos de detección de manipulación, cuyo objetivo es detectar intentos de intrusión.
Debajo de la carcasa
Al quitar la carcasa, se pueden ver la placa principal, el sistema óptico y el sistema de refrigeración. La mayor parte del sistema óptico está oculto en una cubierta que, junto con la carcasa, forma un ambiente resistente al polvo y al agua para permitir un uso prolongado incluso en lugares desafiantes.
Lo que ves es un dispositivo que se ha refinado a través de varios prototipos e iteraciones de diseño para la fabricación (Design for Manufacture, “DFM”).
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El Orb debajo de la carcasa
El Orb consiste en dos hemisferios separados por la placa principal que está inclinada a 23.5°—el ángulo del eje de rotación de la tierra. La placa principal alberga una poderosa unidad de computación para permitir el procesamiento local, que a su vez permite la máxima privacidad. La mitad frontal del Orb está dedicada al sistema óptico sellado. El sistema óptico consiste en varios sensores multiespectrales para verificar vitalidad y una cámara habilitada con gimbal 2D de campo de visión estrecho para capturar imágenes de iris de alta resolución. El otro hemisferio está dedicado al sistema de refrigeración y a los altavoces. Se puede insertar una batería intercambiable en la parte inferior para permitir una operación continua como dispositivo móvil.
Mecanismo
Una vez que se quita la carcasa, el Orb se puede dividir en cuatro partes principales:
- Parte frontal: el sistema óptico
- Centro: La placa base separa el dispositivo en dos hemisferios (nota: su inclinación es exactamente 23.5°, equivalente a la inclinación del eje de rotación de la tierra)
- Parte trasera: la unidad de computación principal y el sistema de refrigeración activo
- Pate inferior: una batería intercambiable
Imagen 2
Desglose CAD de todos los componentes relevantes
Una vez quitados los materiales que lo recubren (p. ej., la cubierta resistente al polvo del sistema óptico), se pueden ver todos los componentes relevantes del Orb. Esto incluye la lente a medida, que está optimizada tanto para la toma de imágenes infrarrojas a corta distancia como para el enfoque automático rápido y duradero. La parte frontal del sistema óptico está sellada por un filtro óptico para mantenerla libre de polvo y minimizar el ruido del espectro visible con el fin de optimizar la calidad de la imagen. En la parte trasera, un componente plástico en la carcasa de cromo permite una colocación óptima de la antena. La carcasa de cromo está cubierta por un revestimiento transparente para evitar el deterioro del acabado a medida que pasa el tiempo.
Hicimos pruebas de campo con nuestros primeros prototipos fuera del laboratorio tan pronto como fue posible. Como es natural, esto nos enseñó muchas lecciones, incluidas las siguientes:
Sistema óptico
Con el primer prototipo, la experiencia de registro fue notablemente difícil. En el transcurso de un año, mejoramos el sistema óptico incorporando el enfoque automático y seguimiento ocular para facilitar la alineación cuando la persona estuviera a un brazo de distancia o menos del Orb.
Batería
Ninguna de las baterías que probamos duró más de un día entero con una sola carga. Así que construimos una batería intercambiable personalizada basada en celdas de Li-Ion 18650—el mismo factor de forma que las celdas utilizadas en un Tesla Model S. La batería consta de 8 celdas con un voltaje nominal de 3.7V en una configuración 2P4S (14.8V) con una capacidad cercana a 100Wh, que es un límite impuesto por regulaciones relacionadas con la logística. Ahora el tiempo de funcionamiento del Orb no tiene límites.
Imagen 3
Batería intercambiable a medida
La batería personalizada del Orb está hecha de celdas Li-Ion 18650 (las mismas celdas utilizadas en muchos autos eléctricos). Con cerca de 100Wh, la capacidad está optimizada para la vida útil de la batería cumpliendo con las regulaciones de transporte. Un conector USB-C facilita su recarga.
Carcasa
El acabado de la carcasa a veces se deteriora en el caso de uso portátil. Por lo tanto, añadimos una cubierta transparente de 2mm para optimizar los visuales y proteger el revestimiento cromado de arañazos y otros desgastes.
LED de experiencia del usuario
Para que la experiencia del usuario sea más intuitiva, especialmente en ambientes ruidosos en los que una persona podría no oír indicaciones sonoras, agregamos un anillo de luces LED para ayudar a guiar a las personas durante el proceso de registro. De forma similar, colocamos luces LED junto al único botón del Orb para indicar el estado actual del Orb.
Cómo funciona el sistema óptico
Nuestras primeras pruebas de campo nos enseñaron que la experiencia de verificación necesitaba ser incluso más sencilla de lo que habíamos anticipado.
Para conseguirlo, primero probamos con muchos enfoques que utilizaban espejos para que la gente pudiera usar su reflejo para alinearse con el sistema de toma de imágenes del Orb. Sin embargo, si bien los diseños funcionaban bien en el laboratorio, fallaban rápidamente en el mundo real.
Terminamos construyendo un sistema de dos cámaras con una cámara de ángulo amplio y una cámara telefoto con un campo de visión ajustable de ~5° mediante un gimbal 2D. Esto aumentó el volumen espacial en el que una inscripción puede completarse exitosamente por varios órdenes de magnitud, de una pequeña caja de 20x10x5mm para cada ojo a un gran cono.
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Lente telefoto y gimbal 2D
El sistema principal de imagen del Orb consiste en una lente telefoto y un sistema de espejo gimbal 2D, un sensor de cámara de obturador global y un filtro óptico. El espejo móvil aumenta el campo de visión del sistema de cámaras en más de dos órdenes de magnitud. La unidad óptica está sellada con un filtro de espectro visible negro que protege los componentes ópticos de alta precisión del polvo y solo transmite luz infrarroja cercana. El proceso de toma de imágenes está controlado por varias redes neuronales.
La cámara de ángulo amplio captura la escena y la red neuronal predice la ubicación de ambos ojos. A través de la inferencia geométrica, dirigimos el campo de visión de la cámara con teleobjetivo a la ubicación de un ojo para tomar una imagen de alta resolución del iris, que es procesada por el Orb para generar un identificador único.
Obtén más información sobre nuestro compromiso con la privacidad aquí.
Más allá de la simplicidad, la calidad de la imagen era nuestra prioridad. Probamos varios productos estándar pero no encontramos una lente lo suficientemente compacta para satisfacer nuestros requisitos de toma de imagen a un precio accesible. Por esto, nos asociamos con un experto reconocido en el sector de la visión artificial para construir una lente a medida.
La lente está optimizada para el espectro infrarrojo cercano y tiene una lente líquida a medida integrada para permitir un enfoque automático de milisegundos controlado por una red neuronal. Está emparejada con un sensor con obturador global para tomar imágenes de alta resolución sin distorsión.
Imagen 5, a)
Teleobjetivo a medida
El teleobjetivo se diseñó a medida para el Orb. El vidrio está recubierto para optimizar la toma de imágenes en el espectro infrarrojo cercano. Una lente líquida integrada hace posible un enfoque automático de milisegundos duradero. La posición de la lente líquida está controlada por una red neuronal para optimizar el enfoque. Para tomar imágenes sin efecto de movimiento, el sensor con obturador global está sincronizado con iluminación por pulsos.
b) Una comparación de la calidad de imagen del Orb de Worldcoin con la estándar del sector muestra claramente los avances que hemos realizado en el ámbito
La cámara y la iluminación infrarroja por pulsos correspondiente están sincronizadas para minimizar el efecto de movimiento y eliminar la influencia de la luz solar. De este modo, el Orb crea condiciones de ambiente de laboratorio para la toma de imágenes, sin importar la ubicación. No hace falta decir que la iluminación infrarroja cumple con los estándares de seguridad para los ojos (como EN 62471:2008).
La calidad de imagen fue algo en lo que nunca hicimos concesiones sin importar cuán difícil fuera. En términos de resolución, el Orb está órdenes de magnitud por encima de los estándares del sector. Esto proporciona la base para una tasa de errores lo más baja posible que, a su vez, maximiza la inclusividad del sistema.
Sistema electrónico
Si desarmamos el Orb incluso más, encontramos varias PCB, incluyendo la PCB frontal que contiene toda la iluminación, la PCB de seguridad para detección de intrusiones y la PCB puente que conecta la PCB frontal con la PCB más grande: la placa principal.
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El frente de la placa principal
El frente de la placa principal alberga condensadores para respaldar la iluminación infrarroja cercana por pulsos (que está certificada como segura para la vista). También hay motores para permitir la deformación de la lente líquida en el sistema óptico. Un microcontrolador controla la temporización precisa de los periféricos. Se puede usar un SSD M.2 encriptado para almacenar imágenes para la custodia voluntaria de datos y la recopilación de datos de imágenes. Dichas imágenes están protegidas por una segunda capa de encriptación irreversible a través de una clave pública de un servidor de modo que, en el improbable caso de que un Orb quedara comprometido, ningún dato quede expuesto. La contribución de datos es opcional y la eliminación de datos se puede solicitar en cualquier momento a través de la aplicación. Una ranura de tarjeta SIM permite una conectividad LTE opcional.
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Parte trasera de la placa principal
La parte trasera de la placa principal alberga varios conectores de elementos activos del sistema óptico. Asimismo, un módulo GPS permite la localización precisa de Orbs con fines de prevención de fraude. Un módulo wifi equipa al Orb con la posibilidad de cargar códigos de iris para garantizar que cada persona solo pueda registrarse una vez. Por último, la placa principal cuenta con una Nvidia Jetson Xavier NX que operan múltiples redes neuronales en tiempo real para optimizar la toma de imágenes, realizar detecciones locales antifalsificación y calcular el código de iris localmente para maximizar la privacidad.
La placa principal actúa como una placa portadora a medida para la Nvidia Jetson Xavier NX SoM que sustenta el Orb. Además del Jetson, el otro componente principal "enchufado" es un SSD M.2 de 250GB. El SSD puede utilizarse para almacenar imágenes en un búfer para la conservación de datos y la recopilación de datos de imágenes voluntarias. Las imágenes están encriptadas de forma irreversible con una clave pública de un servidor de modo que, en el improbable caso de que un Orb quedara comprometido, ningún dato quede expuesto. La contribución de datos es opcional y la eliminación de datos se puede solicitar en cualquier momento a través de la aplicación.
Además, un microcontrolador STM32 controla los periféricos críticos en términos de tiempo, secuencias de energía y arranca el Jetson. El Orb está equipado con Wi-Fi 6 y LTE opcional para permitir una conectividad sin interrupciones, así como un módulo GPS para localizar el Orb y prevenir el uso indebido. Finalmente, un controlador de lente líquida de 12 bits permite controlar el enfoque de la lente telefoto con una precisión de 0.4mm.
La PCB más densamente configurada del Orb es la PCB frontal. Consiste mayormente en luces LED. Las LED RGB exteriores respaldan el “anillo LED de experiencia del usuario”. Más adentro, hay 79 LEDs de infrarrojo cercano de diferentes longitudes de onda. El Orb usa LEDs de 740nm, 850nm y 940nm para capturar una imagen multiespectral del iris para hacer el algoritmo de unicidad más preciso y detectar fraudes.
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PCB frontal con iluminación infrarroja cercana
La PCB frontal alimenta la iluminación multiespectral y los sensores de prevención del fraude. La iluminación brillante (que está certificada como segura para la vista) es necesaria para la toma de una imagen de alta calidad, como en un estudio de fotografía. Los algoritmos de prevención del fraude basados en sensores multiespectrales están diseñados para prevenir la falsificación y se ejecutan de manera local en el Orb para ofrecer una máxima privacidad. Ningún dato de esas imágenes se cargan a menos que una persona lo solicite expresamente. Las LED circulares en el espectro visible al borde de la PCB permiten una retroalimentación del usuario precisa.
La PCB frontal también alberga varios sensores de toma de imágenes multiespectrales. El más básico es la cámara gran angular, que se utiliza para dirigir la cámara de iris con teleobjetivo. Como estamos regalando WLD gratis a cada persona que elija registrarse a través del Orb, hay más posibilidades de que se intente cometer fraude. Por esto, incluimos sensores de toma de imágenes adicionales con fines de prevención del fraude.
Al diseñar el sistema de prevención del fraude, comenzamos analizando los principios básicos: ¿qué características medibles tienen los humanos? A partir de ahí, experimentamos con muchos sensores diferentes y finalmente convergimos en un conjunto que incluye una cámara gran angular de infrarrojo cercano, una cámara de tiempo de vuelo 3D y una cámara térmica. El sistema fue diseñado para permitir el máximo grado de privacidad, de modo que los algoritmos de prevención del fraude basados en los datos de esos sensores se ejecutan de manera local. Ninguna imagen sale del dispositivo a menos que una persona solicite expresamente realizar una copia de seguridad de sus datos para actualizaciones futuras y acepte ayudarnos a mejorar el sistema.
¿Qué sucederá a continuación?
En esta publicación, revelamos y explicamos muchos de los componentes más importantes del Orb y proporcionamos enlaces a los archivos de ingeniería correspondientes. Consideramos que esto es un paso importante para demostrar nuestro compromiso con la privacidad, la confianza y la transparencia. Como se mencionó desde el principio, nos comprometemos a hacer que la mayor cantidad posible de nuestra tecnología sea de código abierto y, en última instancia, descentralizar el proyecto completamente.
La fabricación de la última generación de Orbs ya se encuentra muy avanzada en Alemania, así como lo está su distribución a nuevos operadores de Worldcoin en ciudades de todo el mundo. De hecho, ya han ayudado a Worldcoin a registrar a más de un millón de personas, un hito importante en nuestro recorrido para brindar acceso universal a la economía global.
Descargo de responsabilidad
Nota aclaratoria: Tools for Humanity (TFH) lideró la investigación y el desarrollo iniciales del protocolo de Worldcoin, incluido el Orb. Este año, antes del lanzamiento de la red descentralizada, la organización sin fines de lucro Worldcoin Foundation ha asumido la responsabilidad de facilitar la participación en el protocolo y continuar su desarrollo. La Worldcoin Foundation continuará respaldando y haciendo crecer a la comunidad de Worldcoin hasta que se vuelva autosuficiente, mientras que TFH apoyará a la Worldcoin Foundation, entre otras cosas, a través de la fabricación y el envío de Orbs. Actualmente en beta, Worldcoin espera lanzarse en la primera mitad de 2023.