Otwarcie Orb:
Spojrzenie wewnątrz biometrzycznego urządzenia obrazującego Worldcoin

Jan 27, 2023 10 Minute Read

Biorąc pod uwagę zakres misji Worldcoin, podchodzimy do wszystkiego z zestawem założeń opartych na prywatności, zaufaniu i przejrzystości. 

Dlatego pozostajemy zaangażowani w otwieranie kodu źródłowego tak dużej części technologii, którą tworzymy i używamy, jak to możliwe. Chcemy także umożliwić innym rozwijanie, budowanie i obsługę podobnych urządzeń, które integrują się z protokołem World ID, z ostatecznym celem pełnej decentralizacji każdej części projektu. 

Intencją tego posta jest podzielenie się konkretnymi, rzeczowymi szczegółami na temat sprzętu, który budujemy. Po trzech latach badań i rozwoju, jesteśmy podekscytowani, że możemy zaprezentować Orb, wyjaśnić na wysokim poziomie, jak działa, oraz opublikować odpowiadające pliki inżynierii sprzętu. Postrzegamy to jako ważny krok na naszej drodze do uczynienia naszego zaangażowania w przejrzystość bardziej wiarygodnym dla globalnej społeczności. 

W ciągu nadchodzących miesięcy opublikujemy więcej artykułów wyjaśniających inne części Orba i proces rejestracji.

image

Dlaczego potrzebowaliśmy niestandardowego sprzętu,
i dlaczego skanuje on tęczówkę?

Kiedy zaczynaliśmy Worldcoin, nie mieliśmy zamiaru opracować fizycznego urządzenia, a tym bardziej takiego przeznaczonego do obrazowania biometrycznego. Budowanie niestandardowego sprzętu jest trudne i kosztowne, i nikt nie chce tego robić, jeśli może tego uniknąć. Naszym celem było raczej swobodne dystrybuowanie nowego tokena cyfrowego każdemu na świecie, aby pomóc im uzyskać dostęp i uczestniczyć w globalnej gospodarce. Dopiero po stwierdzeniu, że biometria jest jedynym realistycznym sposobem osiągnięcia naszego celu, postanowiliśmy stworzyć Orba. 

Dowiedz się więcej o inkluzji biometrii i dlaczego Worldcoin ich używa tutaj.

Podczas eksploracji wielu różnych sposobów rozwiązania oporności Sybilli i udowodnienia unikalnej osobowości, nasze badania wykazały, że skanowanie tęczówki oferuje najdokładniejsze dane biometryczne przy akceptowalnym doświadczeniu użytkownika, które zostało pomyślnie przetestowane na dużą skalę. Dzieje się tak, ponieważ tęczówka ma silną odporność na oszustwa i bogactwo danych, co oznacza, że może być używana do dokładnego rozróżniania miliardów unikalnych ludzi. Im bardziej bogaty w dane jest wskaźnik biometryczny (np. tęczówka), tym bardziej sprawiedliwy i inkluzywny jest system.

Co ważne, fałszywe odrzucenia nie są stałe, ale zwiększają się wraz ze skalą. W końcu większość systemów osiąga limit i nie pozwala nikomu nowemu dołączyć. Oznacza to, że istniejące technologie z mniejszą bogactwem danych, takie jak FaceID, byłyby w stanie obsłużyć tylko kilka milionów osób.

Ponieważ komercyjnie dostępne urządzenia do obrazowania tęczówki nie spełniały naszych potrzeb technologicznych ani bezpieczeństwa, spędziliśmy lata na opracowywaniu własnych, aby umożliwić uniwersalny dostęp do globalnej gospodarki w najbardziej inkluzyjny sposób możliwy. Więcej szczegółów można znaleźć tutaj.

Repozytorium sprzętu Orb

Jako pierwszy krok w kierunku otwartego pozyskiwania Orb, udostępniamy wszystkie istotne, związane ze sprzętem pliki inżynierskie dla jego bieżącej wersji w naszym repozytorium. Możesz pobrać Eagle (PCBs), aby wyświetlić pliki i użyć darmowych przeglądarek CAD Autodesk. Opinie na temat ulepszeń projektowych są mile widziane i bardzo zachęcane. 

Jesteśmy świadomi, że rozwijając Orb, rozwijamy najnowocześniejsze biometrie tęczówki. Dlatego wszystkie pliki są publikowane na licencji opartej na licencji MIT, która jednak zabrania użycia licencjonowanych materiałów do celów nadzoru oraz wszelkich innych aplikacji, które mogłyby być szkodliwe dla praw jednostek. 

Reszta artykułu przeprowadzi szczegółową analizę Orba, z kilkoma anegdotami inżynieryjnymi włącznie.

Rozbiórka Orba

Trzy lata badań i rozwoju, w tym jeden rok testów w małej skali oraz jeden rok przejścia do produkcji na dużą skalę, doprowadziły do obecnej wersji Orba. 

Dzisiejszy Orb reprezentuje precyzyjny balans pomiędzy szybkością rozwoju, kompaktowością, doświadczeniem użytkownika, kosztem oraz produkcją na dużą skalę, przy minimalnych kompromisach w jakości obrazowania i bezpieczeństwie. Prawdopodobnie będą powstawać przyszłe wersje, które będą jeszcze bardziej zoptymalizowane. Jednakże obecna wersja stanowi kluczowy kamień milowy, który pozwala nam zwiększyć liczbę Orbs w terenie.

Teraz przedstawimy niektóre z najważniejszych szczegółów technicznych Orba, a także sposób działania systemu obrazowania. Ze względów bezpieczeństwa wyraźnie pominiemy mechanizmy wykrywania manipulacji, które mają na celu wychwycenie prób włamania.

Zdejmowanie obudowy

Po zdjęciu obudowy widoczne stają się płyta główna, system optyczny oraz system chłodzenia. Większość systemu optycznego jest ukryta w obudowie, która wraz z powłoką tworzy pyło- i wodoodporną środowisko, umożliwiające długotrwałe użytkowanie nawet w trudnych warunkach.

To, co widzisz, to urządzenie, które zostało udoskonalone poprzez liczne iteracje prototypów i projektowanie pod kątem produkcji (DFM).

Figure
Rys. 1
Orb pod skorupą

Orb składa się z dwóch półkul oddzielonych płytą główną, która jest pochylona pod kątem 23.5°—kątem osi obrotu ziemi. Główna płyta zawiera potężną jednostkę obliczeniową do umożliwienia lokalnego przetwarzania dla maksymalnej prywatności. Przednia połowa Orba jest przeznaczona na zamknięty system optyczny. System optyczny składa się z kilku multispektralnych czujników do weryfikacji żywotności oraz kamery z wąskim polem widzenia z dwoma osiami gimbala do rejestrowania obrazów tęczówki w wysokiej rozdzielczości. Druga półkula jest przeznaczona na system chłodzenia oraz głośniki. Wymienny akumulator można włożyć od spodu, aby umożliwić nieprzerwaną pracę w ustawieniu mobilnym.

Mechanika

Po zdjęciu osłony Orb można podzielić na cztery główne części: 

  • Przód: Układ optyczny
  • Środek: Płyta główna dzieli urządzenie na dwie półkule (uwaga: jej nachylenie wynosi dokładnie 23,5°, co odpowiada nachyleniu osi obrotu Ziemi)
  • Tył: Główna jednostka obliczeniowa oraz aktywny system chłodzenia 
  • Dół: Wymienialna bateria
Figure
Rys. 2
Konstrukcja CAD wszystkich istotnych komponentów

Po usunięciu materiału obudowy (np. pyłoszczelnej obudowy układu optycznego) widoczne stają się wszystkie istotne komponenty Orb. Obejmuje to niestandardowy obiektyw, który jest zoptymalizowany zarówno do obrazowania w bliskiej podczerwieni, jak i szybkiego, trwałego autofokusa. Przód systemu optycznego jest uszczelniony filtrem optycznym, aby zapobiec dostawaniu się kurzu i zminimalizować szumy z widma widzialnego w celu optymalizacji jakości obrazu. Z tyłu, plastikowy element w inaczej chromowanej obudowie pozwala na zoptymalizowane umiejscowienie anteny. Chromowana obudowa jest pokryta przezroczystą powłoką, aby uniknąć pogorszenia stanu powłoki z biegiem czasu.

Przetestowaliśmy nasze pierwsze prototypy w terenie poza laboratorium tak wcześnie, jak to możliwe. Oczywiście nauczyło nas to wielu rzeczy, w tym:

System optyczny

Przy pierwszym prototypie doświadczenie rejestracji było notoriously difficult. W ciągu roku zmodernizowaliśmy system optyczny o automatyczne ustawianie ostrości i śledzenie oczu, aby wyrównanie stało się trywialne, gdy osoba znajduje się w zasięgu ramienia Orba.

Bateria

Żadna testowana przez nas bateria nie wytrzymałaby pełnego dnia na jednym ładowaniu. Zbudowaliśmy więc niestandardową wymienną baterię opartą na ogniwach Li-Ion 18650—tym samym formacie co ogniwa używane w Tesla Model S. Bateria składa się z 8 ogniw o 3,7V napięciu nominalnym w konfiguracji 2P4S (14,8V) o pojemności bliskiej 100 Wh, co jest limitem narzuconym przez przepisy związane z logistyką. Teraz czas pracy Orba jest nieograniczony.

Figure
Ryc. 3
Niestandardowa wymienna bateria

Niestandardowa bateria Orba jest wykonana z ogniw Li-Ion 18650 (tych samych, które są używane w wielu samochodach elektrycznych). Dzięki pojemności bliskiej 100Wh, jest zoptymalizowana pod kątem żywotności baterii, spełniając jednocześnie wymagania dotyczące transportu. Złącze USB-C sprawia, że ładowanie jest wygodne.

Obudowa

Powloka skorupy czasami pogarszała się w przypadku użytkowania ręcznego. Dlatego dodaliśmy przezroczystą powłokę o grubości 2mm, aby zoptymalizować wizualizacje oraz chronić chromowaną powłokę przed zarysowaniami i innymi uszkodzeniami. 

Diody LED UX

Aby uczynić doświadczenie użytkownika bardziej intuicyjnym, szczególnie w głośnych środowiskach, gdzie osoba może nie słyszeć dźwiękowych informacji zwrotnych, dodaliśmy pierścień LED, aby pomóc ludziom przejść przez proces rejestracji. Podobnie, wyeksponowaliśmy diody stanu obok jedynego przycisku na Orbie, aby wskazywały jego aktualny stan. 

Jak działa system optyczny

Nasze wczesne testy terenowe nauczyły nas, że doświadczenie weryfikacyjne musi być jeszcze prostsze, niż się spodziewaliśmy. 

Aby to zrobić, najpierw eksperymentowaliśmy z wieloma podejściami, które wykorzystywały lustra pozwalające ludziom na używanie ich odbicia do alignacji z systemem obrazowania Orbów. Jednak projekty, które dobrze działały w laboratorium, szybko zawodziły w prawdziwym świecie. 

Ostatecznie zbudowaliśmy system dwukamerowy z szerokokątną kamerą i teleobiektywem o regulowanym polu widzenia ~5° za pomocą 2D gimbala. To zwiększyło przestrzenny wolumen, w którym można pomyślnie ukończyć rejestrację o kilka rzędów wielkości, od małego pudełka o wymiarach 20x10x5mm dla każdego oka do dużego stożka.

Figure
Rys. 4
Teleobiektyw i gimbal 2D

Główny system obrazowania Orba składa się z teleobiektywu i gimbalowego systemu z lustrami 2D, sensora kamery z globalną migawką i filtra optycznego. Ruchome lustro zwiększa pole widzenia systemu kamer o więcej niż dwa rzędy wielkości. Jednostka optyczna jest uszczelniona czarnym filtrem widzialnego spektrum, który uszczelnia wysokiej precyzji optykę przed kurzem i przepuszcza tylko bliskie światło podczerwone. Proces przechwytywania obrazu jest kontrolowany przez kilka sieci neuronowych.

Szerokokątna kamera rejestruje scenę, a sieć neuronowa przewiduje lokalizację obu oczu. Dzięki wnioskowaniu geometrycznemu kierujemy pole widzenia kamery teleobiektywowej na lokalizację oka, aby uchwycić obraz tęczówki w wysokiej rozdzielczości, który jest dalej przetwarzany przez Orba na unikalny identyfikator.

Dowiedz się więcej o naszym zaangażowaniu w ochronę prywatności tutaj.

Poza prostotą, głównym celem była jakość obrazu. Testowaliśmy wiele produktów dostępnych na rynku, ale nie znaleźliśmy wystarczająco kompaktowego obiektywu, który spełniałby nasze wymagania obrazowe i jednocześnie był przystępny cenowo. W związku z tym, nawiązaliśmy współpracę ze znanym specjalistą w branży maszynowej wizji, aby stworzyć dostosowany obiektyw.

Obiektyw  jest zoptymalizowany dla bliskiego zakresu podczerwieni i ma zintegrowany niestandardowy obiektyw ciekły, który umożliwia automatyczne ustawianie ostrości na poziomie milisekund, kontrolowane przez sieć neuronową. Jest sparowany z globalnym sensorem migawki, aby uchwycić obrazy o wysokiej rozdzielczości, bez zniekształceń.

Figure
Rys. 5, a)
Niestandardowy obiektyw telefoto

Obiektyw telefoto został zaprojektowany na zamówienie dla Orba. Szkło jest pokryte powłoką optymalizującą uchwytywanie obrazów w bliskim zakresie podczerwieni. Zintegrowany obiektyw ciekły pozwala na trwałe ustawianie ostrości w milisekundach. Pozycja obiektywu ciekłego jest kontrolowana przez sieć neuronową, aby zoptymalizować ostrość. Aby uchwycić obrazy bez rozmycia ruchu, globalny sensor migawki jest zsynchronizowany z impulsowym oświetleniem.

b) Porównanie jakości obrazu Worldcoin Orb z standardem branżowym wyraźnie pokazuje postępy, jakie osiągnęliśmy w tej dziedzinie

Kamera i odpowiadające jej pulsacyjne podświetlenie podczerwone są zsynchronizowane w celu minimalizacji rozmazania ruchu i tłumienia wpływu światła słonecznego. W ten sposób Orb tworzy warunki laboratoryjne do obrazowania, niezależnie od swojej lokalizacji. Oczywiście, oświetlenie podczerwone jest zgodne z normami bezpieczeństwa dla oczu (takimi jak EN 62471:2008). 

Jakość obrazu była jedyną rzeczą, na którą nigdy nie szliśmy na kompromisy, bez względu na to, jak trudne to było. Pod względem rozdzielczości Orb przewyższa standardy branżowe o rzędy wielkości. To zapewnia podstawę dla najniższych możliwych współczynników błędów, aby z kolei zmaksymalizować inkluzywność systemu. 

Elektronika

Podczas dalszego demontażu Orb znajdziesz kilka PCB (Obwodów drukowanych), w tym przedni PCB zawierający całe oświetlenie, PCB bezpieczeństwa do wykrywania intruzów oraz PCB mostka, który łączy przedni PCB z największym PCB: główną płytą.

Figure
Rys. 6
Przód płyty głównej

Przód płyty głównej zawiera kondensatory do zasilania pulsacyjnego, bliskiej podczerwonej iluminacji (certyfikowanej jako bezpiecznej dla oczu). Istnieją również sterowniki do zasilania deformacji soczewki ciekłej w systemie optycznym. Mikrokontroler kontroluje precyzyjne wyzwalanie peryferiów. Szyfrowany dysk SSD M.2 może być użyty do przechowywania obrazów na potrzeby dobrowolnej opieki nad danymi i zbierania danych obrazu. Te obrazy są zabezpieczone drugą warstwą nieodwracalnego szyfrowania za pomocą klucza publicznego z serwera, tak że w mało prawdopodobnym przypadku naruszenia bezpieczeństwa Orbu, żadne dane nie zostaną ujawnione. Wkład danych jest opcjonalny, a usunięcie danych może być żądane w dowolnym momencie za pośrednictwem aplikacji. Gniazdo karty SIM umożliwia opcjonalną łączność LTE.

Figure
Rys. 7
Tył płyty głównej

Na tylnej stronie płyty głównej znajdują się różne złącza dla aktywnych elementów systemu optycznego. Dodatkowo, moduł GPS umożliwia precyzyjne lokalizowanie Orbsów w celu zapobiegania oszustwom. Moduł Wi-Fi wyposaża Orba w możliwość przesyłania kodów tęczówki, aby upewnić się, że każda osoba może zarejestrować się tylko raz. Wreszcie, płyta główna mieści Nvidia Jetson Xavier NX, który uruchamia wiele sieci neuronowych w czasie rzeczywistym, aby optymalizować przechwytywanie obrazów, wykonywać lokalne wykrywanie oszustw i obliczać kod tęczówki lokalnie, maksymalizując prywatność.

Płyta główna działa jako dedykowana płyta nośna dla Nvidia Jetson Xavier NX SoM zasilająca Orba. Oprócz Jetsona, głównym "wpiętym" komponentem jest 250GB dysk M.2 SSD. Dysk SSD może być używany do buforowania obrazów na potrzeby dobrowolnej opieki nad danymi i zbierania danych obrazowych. Obrazy są nieodwracalnie szyfrowane za pomocą klucza publicznego z serwera, dzięki czemu, w mało prawdopodobnym przypadku naruszenia bezpieczeństwa Orba, żadne dane nie zostaną ujawnione. Wkład danych jest opcjonalny, a usunięcie danych może być zażądane w dowolnym momencie za pośrednictwem aplikacji. 

Ponadto, mikrokontroler STM32 kontroluje krytyczne czasowo peryferia, sekwencjonuje zasilanie i uruchamia Jetsona. Orb jest wyposażony w Wi-Fi 6 i opcjonalny LTE, aby umożliwić bezproblemową łączność, a także moduł GPS do lokalizacji Orba i zapobiegania nadużyciom. Na koniec, 12-bitowy sterownik soczewek ciekłych pozwala na kontrolowanie ostrości obiektywu teleobiektywu z precyzją 0,4 mm.

Najgęściej upakowany PCB Orba to przedni PCB. Składa się głównie z diod LED. Zewnętrzne diody RGB zasilają „pierścień LED UX”. Dalej wewnątrz znajdują się 79 bliskoinfraredowych diod LED o różnych długościach fal. Orb używa diod LED 740nm, 850nm i 940nm do rejestrowania wielospektralnego obrazu tęczówki, aby uczynić algorytm wyjątkowości bardziej dokładnym i wykrywać oszustwa.

Figure
Rys. 8
Przedni PCB z bliskoinfraredowym oświetleniem

Przedni PCB zasila wielospektralne oświetlenie oraz czujniki zapobiegające oszustwom. Jasne oświetlenie (które jest certyfikowane jako bezpieczne dla oczu) jest potrzebne do wykonywania wysokiej jakości zdjęć, podobnie jak w studio fotograficznym. Algorytmy zapobiegania oszustwom oparte na czujnikach wielospektralnych są zaprojektowane, aby zapobiegać fałszerstwom i działają lokalnie na Orb dla maksymalnej prywatności. Żadne dane z tych obrazów nie są przesyłane, chyba że ktoś wyraźnie o to poprosi. Okrągłe diody LED w widzialnym spektrum na obrzeżu płytki PCB umożliwiają precyzyjne informacje zwrotne dla użytkownika.

Przednia płytka PCB zawiera również kilka czujników obrazowania wielospektralnego. Najbardziej podstawowym z nich jest szerokokątny aparat, który służy do sterowania teleobiektywem irysowym. Ponieważ dajemy darmową część Worldcoin każdej osobie, która zdecyduje się zarejestrować przez Orb, motywacje do oszustw są wysokie. Dlatego uwzględniliśmy dodatkowe czujniki obrazowania w celach zapobiegania oszustwom.  

Podczas projektowania systemu zapobiegania oszustwom, zaczęliśmy od podstawowych zasad: jakie mierzalne cechy mają ludzie? Od tego momentu eksperymentowaliśmy z wieloma różnymi czujnikami i ostatecznie skoncentrowaliśmy się na zestawie, który obejmuje szerokokątną kamerę bliskiej podczerwieni, kamerę 3D typu time of flight oraz kamerę termowizyjną. System został zaprojektowany tak, aby zapewnić maksymalną prywatność, dlatego algorytmy zapobiegania oszustwom oparte na danych z tych czujników działają lokalnie. Żadne obrazy nigdy nie opuszczają urządzenia, chyba że osoba wyraźnie poprosi o wykonanie kopii zapasowej swoich danych do przyszłych aktualizacji i zgodzi się pomóc nam w doskonaleniu systemu dla wszystkich.

Co dalej

W tym poście ujawniliśmy i wyjaśniliśmy wiele z najważniejszych komponentów Orba oraz podaliśmy linki do odpowiednich plików inżynieryjnych. Postrzegamy to jako ważny krok w kierunku demonstrowania naszego zaangażowania w prywatność, zaufanie i przejrzystość. Jak stwierdzono na początku, jesteśmy zaangażowani w otwieranie jak największej części naszej technologii i ostatecznie pełne zdecentralizowanie projektu. 

Produkcja najnowszej generacji Orbs jest już w pełnym toku w Niemczech, jak również ich dystrybucja do nowych Worldcoin Operatorów w miastach na całym świecie. W rzeczywistości, już pomogli Worldcoin przekroczyć milion zapisów—ważny kamień milowy na drodze do zapewnienia powszechnego dostępu do globalnej gospodarki.

Zastrzeżenie

Notka wyjaśniająca: Tools for Humanity (TFH) prowadziło początkowe badania i rozwój protokołu Worldcoin, w tym Orb. W tym roku, przed uruchomieniem zdecentralizowanej sieci, non-profit Worldcoin Foundation przejmuje odpowiedzialność za ułatwienie uczestnictwa w protokole i jego dalszy rozwój. Worldcoin Foundation będzie nadal wspierać i rozwijać społeczność Worldcoin, aż stanie się samowystarczalna, podczas gdy TFH będzie wspierać Fundację, w tym poprzez produkcję i wysyłkę Orbs. Obecnie w fazie beta, Worldcoin spodziewa się uruchomienia w pierwszej połowie 2023 roku.

Informacje w tym artykule mają ponad 12 miesięcy i mogą być nieaktualne. Wejdź na world.org/blog w celu uzyskania najnowszych informacji o projekcie.