オーブを開く:
Worldcoinの生体認証イメージングデバイスの内部を探る

Worldcoinの使命の範囲を考慮し、プライバシー、信頼、透明性に基づいた設立原則のセットからすべてにアプローチします。 

だからこそ、私たちは可能な限り開発および使用する技術をオープンソース化することにコミットし続けます。 私たちはまた、他の人々がWorld IDプロトコルと連携する同様のデバイスを開発、構築、運用できるようにしたいと考えており、プロジェクトの全ての部分を完全に分散化する最終的な目標を持っています。 

この投稿の意図は、私たちが構築しているハードウェアに関する具体的で実質的な詳細を共有することです。 3年の研究開発を経て、Orbを紹介し、その仕組みを高いレベルで説明し、対応するハードウェアのエンジニアリングファイルをリリースすることに興奮しています。 これは、グローバルコミュニティに対する透明性へのコミットメントをより信頼できるものにするための重要なステップであると考えています。 

今後数ヶ月以内に、Orbとサインアップフローの他の部分を説明する記事をさらに公開する予定です。

なぜ私たちはカスタムハードウェアを必要としたのか、
そしてなぜ虹彩をスキャンするのか？

Worldcoinが始まったとき、私たちは物理デバイスを開発するつもりはありませんでした、ましてや生体認証イメージング用に作られたものなど。 カスタムハードウェアの構築は困難で高価であり、それを避けられるなら誰もやりたくはありません。 代わりに、私たちの目標は、すべての人々に新しいデジタルトークンを自由に配布し、彼らが世界経済にアクセスし、参加するのを助けることでした。 生体認証が私たちの目標を達成するための唯一現実的な方法であると結論付けた後、私たちはオーブを作成することを決意しました。 

バイオメトリクスの包括性についてもっと知りたい場合は、こちらでWorldcoinがそれを使用する理由を学びましょう。

多くの異なる方法を探求して Sybil抵抗性 と唯一の人間性を証明しようとした結果、虹彩スキャンが、スケールで成功裏にテストされ、受け入れ可能なユーザー体験を提供する最も正確なバイオメトリクスを提供することが研究で示されました。 これは、虹彩が強力な詐欺抵抗性とデータの豊富さを持っているため、数十億のユニークな人間を正確に区別できるからです。 バイオメトリクスマーカー（例えば虹彩）がデータリッチであればあるほど、システムは公平で包摂的になります。

重要なことに、誤判定は一定ではなく、スケールが大きくなると増加します。 最終的には、ほとんどのシステムが壁にぶつかり、新しい人が参加できなくなります。 これは、FaceIDのようなデータの豊かさが少ない既存の技術では、数百万人しか対応できないことを意味します。

市販の虹彩イメージングデバイスが私たちの技術的またはセキュリティのニーズを満たさなかったため、最も包括的な方法でグローバル経済への普遍的なアクセスを可能にするために、自身で数年をかけて開発しました。 詳細はこちらで確認できます。

Orbハードウェアリポジトリ

Orbをオープンソース化への第一歩として、現在のバージョンに関連するすべてのハードウェア関連のエンジニアリングファイルをリポジトリで公開しています。 これらのファイルは、Eagle（PCB）をダウンロードして閲覧でき、Autodesk の CAD ビューアーを無料で利用することで確認することも可能です。 設計改善のためのフィードバックを歓迎し、強く奨励します。 

Orbを開発することで、最先端の虹彩バイオメトリクスを進歩させていることを認識しています。 そのため、すべてのファイルはMITライセンスに基づくライセンスの下で公開されており、監視アプリケーションや個人の権利に有害となる可能性のある他のアプリケーションでの使用を禁止しています。 

この記事の残りの部分では、Orbの分解といくつかのエンジニアリング逸話について説明します。

Orbの分解

小規模な実地試験を含む3年間の研究開発と、大規模な製造への移行に1年間をかけて、現在のOrbのバージョンが完成しました。 

今日のOrbは、開発速度、コンパクトさ、ユーザー体験、コスト、大規模な生産をバランスよく調整し、イメージング品質とセキュリティの妥協を最小限に抑えたものです。 将来的にはさらに最適化されたバージョンが登場する可能性があります。 しかし、現在のバージョンは、フィールドにおけるOrbの数を増やすための重要なマイルストーンを提供します。

これから、Orbの最も重要なエンジニアリングの詳細およびイメージングシステムの動作について説明します。 セキュリティのため、侵入試みを検知するための改竄検出機構は明示的に除外します。

シェルの取り外し

シェルを取り外すと、メインボード、光学システム、冷却システムが見えます。 光学システムの大部分はエンクロージャーに隠されており、シェルと一緒に、挑戦的な環境でも長期間使用できるように、防塵・防水環境を形成します。

ご覧のデバイスは、複数のプロトタイプおよび製造設計 (DFM) の反復を通じて精錬されたものです。

メカニクス

シェルを取り外すと、オーブは4つの主要部分に分けることができます: 

• 前部: 光学システム
• 中央: メインボードはデバイスを2つの半球に分けます (注: その傾斜はちょうど23.5°で、地球の回転軸の傾斜と同じです)
• 背面: メインコンピューティングユニットとアクティブ冷却システム 
• 底部: 交換可能なバッテリー

できるだけ早く、研究室の外で最初のプロトタイプをフィールドテストしました。 当然のことながら、これにより多くの教訓が得られました。以下を含みます：

光学系

最初のプロトタイプでは、サインアップの体験が非常に困難でした。 一年間にわたり、オートフォーカスと眼球追跡機能を備えた光学システムにアップグレードし、ユーザーがOrbの腕の長さ以内にいる場合、位置合わせが非常に容易になりました。

バッテリー

試したどのバッテリーも、一回の充電で一日中持つことはありませんでした。 そのため、Tesla Model Sで使用されているセルと同じフォームファクタである18650 Li-Ionセルに基づいたカスタム交換可能バッテリーを構築しました。このバッテリーは、3.7Vの公称電圧を持つ8つのセルで構成され、2P4S構成（14.8V）で、容量は100Whに近く、これは物流に関連する規制によって制限されています。 これで、Orbの稼働時間に制限はありません。

シェル

シェルのコーティングは、手持ちの使用ケースで時々劣化することがありました。 したがって、視覚を最適化し、クロムコーティングを傷やその他の摩耗から保護するために、2mmのクリアシェルを追加しました。 

UX LED

特に音声フィードバックが聞こえないような騒がしい環境で、ユーザーエクスペリエンスをより直感的にするために、登録プロセスをガイドするためのLEDリングを追加しました。 同様に、現在の状態を示すために、唯一のボタンの隣にステータスLEDを露出させました。 

光学システムの仕組み

初期フィールドテストから、認証体験を予想以上に簡単にする必要があることが分かりました。 

これを行うために、人々が自身の反射を使ってOrbのイメージングシステムに合わせることができる鏡を特徴とする多くのアプローチを最初に試しました。 しかし、実験室でうまくいったデザインは、現実の世界ではすぐに崩れてしまいました。 

その結果、広角カメラと2Dジンバルによって調整可能な約5°の視野を持つ望遠カメラを備えた2カメラシステムを構築しました。 これにより、各目のための20x10x5mmの小さなボックスから大きな円錐形に、サインアップが成功裏に完了する空間のボリュームが数桁増加しました。

広角カメラがシーンをキャプチャし、ニューラルネットワークが両目の位置を予測します。 幾何学的推論を通じて、望遠カメラの視野を目の位置に向け、高解像度の虹彩画像をキャプチャします。この画像はOrbによってさらに処理され、ユニークな識別子になります。

私たちのプライバシーへの取り組みについて詳しくはこちら。

シンプルさを超えて、画像の品質が主な焦点でした。 市販の多くの製品をテストしましたが、イメージング要件を満たしつつも手頃な価格のコンパクトなレンズは見つかりませんでした。 したがって、カスタマイズされたレンズを作るために、機械視覚業界で有名なスペシャリストと提携しました。

レンズ は近赤外線スペクトルに最適化されており、ニューロネットワーク制御のミリ秒オートフォーカスを可能にするカスタム液体レンズが統合されています。 それは高解像度で歪みのない画像をキャプチャするためにグローバルシャッターセンサーとペアになっています。

カメラと対応するパルス赤外線照明は、モーションブラーを最小限に抑え、日光の影響を抑制するように同期されています。 この方法により、オーブはその場所に関係なく、画像撮影のための実験室環境の状態を作り出します。 言うまでもなく、赤外線照明は眼の安全基準（EN 62471:2008など）に準拠しています。 

画質については、どれほど困難であっても一切妥協しませんでした。 解像度に関しては、Orbは業界標準を遥かに凌駕しています。 これは、エラー率を可能な限り最低に抑える基礎を提供し、ひいてはシステムの包括性を最大にします。 

エレクトロニクス

Orbをさらに分解すると、前面PCB（プリント回路基板）がすべての照明を含むものや、侵入検出のためのセキュリティPCB、そして前面PCBと最大のPCBであるメインボードを接続するブリッジPCBなど、いくつかのPCBが見つかります。

メインボードは、Orbに電力を供給するNvidia Jetson Xavier NX SoMのカスタムキャリアボードとして機能します。 Jetson以外の主要な「プラグイン」コンポーネントは250GBのM.2 SSDです。 SSDは、ボランタリーデータ管理および画像データ収集のために画像をバッファリングするために使用できます。 画像はサーバーからの公開鍵で不可逆的に暗号化され、Orbが危険にさらされる可能性が低い場合でもデータが露出することはありません。 データの提供は任意であり、アプリを通じていつでもデータの削除を要求することができます。 

さらに、STM32マイクロコントローラは時間依存の周辺機器を制御し、電源をシーケンスし、Jetsonを起動します。 Orbはシームレスな接続を可能にするWi-Fi 6およびオプションのLTE、さらにオーブの位置を特定し悪用を防ぐGPSモジュールが装備されています。 最後に、12ビット液体レンズドライバーは望遠レンズの焦点を0.4mmの精度で制御することを可能にします。

オーブの最も密に詰まったPCBは前面PCBです。 主にLEDで構成されています。 最外周のRGB LEDは「UX LEDリング」に電力を供給します。 さらに内側には、異なる波長の79個の近赤外LEDがあります。 Orbは740nm、850nm、940nmのLEDを使用して虹彩のマルチスペクトル画像をキャプチャし、ユニークネスアルゴリズムをより正確にし、詐欺を検出します。

前面PCBにはいくつかの多スペクトルイメージングセンサーも搭載されています。 最も基本的なものは広角カメラであり、望遠虹彩カメラの操作に使用されます。 オーブを通じてサインアップすることを選んだすべての人に無償でWorldcoinの共有を提供しているため、詐欺のインセンティブは高くなります。 そのため、詐欺防止の目的でさらにイメージングセンサーを追加しました。  

詐欺防止システムを設計する際、人間にはどのような測定可能な特徴があるかという第一原理の推論から始めました。 そこから、さまざまなセンサーを試し、最終的には近赤外線広角カメラ、3Dタイムオブフライトカメラ、サーマルカメラを含むセットに収束しました。 システムは最大限のプライバシーを確保するように設計されており、これらのセンサーからの入力に基づく詐欺防止アルゴリズムはローカルで実行されます。 データを将来のアップグレード用にバックアップすることを明示的に要求し、システムの改善に協力することに同意しない限り、画像がデバイスから離れることはありません。

次に何をするか

この投稿では、Orb の最も重要なコンポーネントの多くを公開し、説明し、それに対応するエンジニアリングファイルにリンクしました。 これは、プライバシー、信頼、および透明性へのコミットメントを示すための重要なステップであると考えています。 冒頭で述べたように、私たちは可能な限り自社の技術をオープンソース化し、最終的にはプロジェクトを完全に分散化することに専念しています。 

オーブの最新世代の製造はすでにドイツで順調に進んでおり、世界中の都市の新しいWorldcoinオペレーターへの配布も行われています。 実際、彼らはすでにWorldcoinが100万人以上のサインアップを達成するのを手助けしました。これは、世界経済への普遍的なアクセスを提供する道のりにおける重要な節目です。