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揭开Orb的神秘面纱:Worldcoin如何采集你的虹膜?

2023-05-19 18:45
项目动态
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摘要由 ChatGPT 生成
Worldcoin 发布了名为 Orb 的开源定制硬件设备,旨在通过先进的虹膜生物识别技术实现全球范围内的代币发放。
原文标题:《OPENING THE ORB: A look inside Worldcoin's biometric imaging device》
原文来源:Worldcoin
原文编译:Kxp,BlockBeats


Worldcoin 将始终坚持基于隐私、信任和透明的一系列宗旨和原则。


这就是为什么我们一直致力于尽可能开源我们创建和使用的技术。我们还希望让其他人能够开发、构建和运营与 World ID 协议集成的类似设备,最终的目标是实现项目各部分的完全去中心化。


在本文中,我们将分享关于我们正在构建的硬件的具体性、实质性细节。经过三年的研发,我们很高兴能为大家展示 Orb、解释它的工作原理,并发布相应的硬件工程文件。这将是我们实现对透明度的承诺并增加其在全球社区中可信度的重要一步。


在接下来的几个月中,我们将发布更多文章,解释 Orb 的其他部分和注册流程。



为什么我们需要定制硬件,以及为什么它要扫描虹膜?


当 Worldcoin 创立时,我们并不打算开发一种物理设备,更不用说为生物特征成像而建造一种设备了。定制硬件困难且昂贵,如果没有必要的话,谁也不愿意在这上面投入精力。相反,我们的目标是自由分发一种新的数字代币给全世界的每个人,以帮助他们进入并参与全球经济。只有在得出生物特征是实现我们目标的唯一现实途径后,我们才着手创建 Orb。


了解更多关于生物特征的包容性以及 Worldcoin 为何使用它们的信息,请点击这里


在探索解决 sybil resistance 和验证独特身份的许多不同方法时,我们的研究表明,虹膜扫描提供了最准确的生物特征,并具有可接受的用户体验,在大规模测试中取得了成功。这是因为虹膜具有较强的防欺诈性和丰富的数据,意味着它可以准确区分数十亿个独特的人类个体。生物特征标记(如虹膜)的数据丰富程度越高,系统就越公平和包容。


重要的是,误拒绝的发生率不是恒定值,而是随着数据规模的扩大而增加。最终,大多数系统都会遇到瓶颈,不允许任何新人加入。这意味着像 FaceID 这样数据丰富度较低的现有技术只能容纳几百万人。 由于商业上可用的虹膜成像设备不能满足我们的技术或安全需求,我们花了多年时间开发我们自己的设备,从而尽可能容纳更多的人。更多细节请参阅这里


Orb 硬件存储库


作为 Orb 开放源码的第一步,我们在存储库中发布了所有与硬件相关的工程文件,这其中就包括当前版本的文件。你可以下载 Eagle(PCB)来查看文件,并免费使用 Autodesk 的 CAD 查看器。我们欢迎并鼓励大家对设计提出意见和反馈。


通过开发 Orb,我们正在推动最先进的虹膜生物特征识别技术。这就是为什么所有文件都是根据 MIT 许可证发布的,但我们也禁止将许可材料用于监控以及任何可能对个人权利有害的其他应用方式。


接下来,我们将对 Orb 进行拆解,并讲述一些工程设计过程中发生的趣事。


Orb 拆解


经过三年的研发,包括一年的小规模现场测试和一年的大规模生产测试,我们得到了当前版本的 Orb。


今天的 Orb 在开发进度、紧凑程度、用户体验、成本和大规模生产之间实现了精确平衡,在图像质量和安全性上几乎没有任何妥协。未来,我们可能会发布进一步优化的版本。然而,当前版本代表了一个重要的里程碑,让我们能够开始进行规模生产。


现在,我们将带你了解 Orb 的一些关键工程细节,以及成像系统的工作原理。出于安全考虑,我们会省略掉用于捕捉系统入侵的防篡改机制部分。


移除外壳


移除外壳后,我们可以看到产品的主板、光学系统和冷却系统。大部分光学系统隐藏在一个围护结构中,与外壳共同起到防尘和防水的作用,以便在各种恶劣环境中实现长期使用。


你所看到的是一个经过多次原型调整和设计迭代的产品。


图 1 外壳下的 Orb
Orb 由两个半球组成,主板将其分隔开,主板以 23.5°的倾斜角度倾斜,这是地球的旋转轴的倾斜角度。主板装有强大的计算单元,以实现本地处理,以最大程度地保护隐私。Orb 的前半部分专用于密封的光学系统。光学系统由几个多光谱传感器组成,用于验证活体,并配备一个带有二维万向节能够拍摄高分辨率虹膜图像的狭缝视野摄像机。另一个半球专用于冷却系统和扬声器。可以从底部插入可更换电池,以实现在移动环境中的不间断运行。


机械结构


移除了外壳之后,Orb 可以分为四个核心部分:


· 前部:光学系统 

· 中部:主板将设备分为两个半球(注意:倾斜角度正好为 23.5°,相当于地球的倾斜角度) 

· 后部:主计算单元以及主动冷却系统 

· 底部:可更换电池


图 2 所有相关组件的 Explosion CAD 
去除外壳材料后(例如光学系统的防尘罩),Orb 的所有相关组件都会显露出来。其中包括定制镜头,该镜头针对近红外成像和快速、耐用的自动对焦进行了优化。光学系统的前部由光学滤光片密封,以防止灰尘进入并减少可见光谱的噪声,以优化图像质量。在背部,镀铬外壳中的一个塑料部件可优化天线的位置。镀铬外壳上覆盖有透明外壳,以防止涂层随时间的推移而损坏。


我们尽早在实验室外进行了第一批原型机的现场测试。当然,这给我们带来了许多教训,包括:


光学系统


第一款原型机的注册体验极为困难。经过一年的升级改进,我们为光学系统添加了自动对焦和眼球跟踪功能。当人与 Orb 的距离在手臂长度范围内时,对准变得更为简单。


电池 


我们试过的所有电池都无法在单次充电后维持一整天的使用时间。因此,我们基于 18650 锂离子电池构建了一款定制可更换电池,这种电池与特斯拉 Model S 所使用的电池具有相同的形状。该电池由 8 个 3.7V 名义电压的电池单体组成,采用 4S2P 配置(14.8V),容量接近 100Wh,这是产品运输相关法规所规定的极限。这样一来,Orb 的工作时长就没有限制了。


图 3 定制可更换电池 
Orb 的定制电池采用了 Li-Ion 18650 电池(与许多电动汽车使用的电池相同),容量接近 100Wh。该优化旨在提高电池寿命,并符合运输规定。它采用 USB-C 连接器,便于充电。


外壳 


外壳的涂层在手持使用情况下有时会出现退化。因此,我们添加了一层 2 毫米的透明外壳,既优化了外观,又保护了铬镀层免受划痕和其他磨损。


UX LED


为了使用户体验更加直观,特别是在嘈杂的环境中,人们可能无法听到声音反馈,我们添加了一个 LED 光环,以帮助指导人们完成注册流程。类似地,我们在 Orb 上唯一的按钮旁边设计了一个状态 LED,以展示其当前状态。


光学系统的工作原理 


我们的早期测试告诉我们,验证体验需要比我们预期的更加简单。


为了做到这一点,我们首先尝试了许多方法,通过使用镜子让人们能够根据自己的镜相反射对准 Orb 的成像系统。然而,这些在实验室中表现良好的设计很快在真实世界中失效了。


最终,我们构建了一个由广角摄像头和长焦摄像头组成的双摄系统,通过一个二维万向架可调节大约 5°的视场。这让可以成功完成注册的空间体积增加了几个数量级,从每只眼睛 20x10x5 毫米的狭小空间变成了一个大锥体。


图 4 远摄镜头和二维万向架
Orb 的主要成像系统由远摄镜头和 2D 万向镜系统、全局快门相机传感器以及光学滤镜组成。移动镜片使相机系统的视野增加了两个数量级以上。光学单元由黑色可见光谱滤光片密封,将高精度光学部件与尘埃隔离,并仅传输近红外光。图像捕捉过程由多个神经网络控制。


广角摄像头捕捉场景,并通过神经网络预测双眼的位置。通过几何推断,我们将远摄相机的视野导向眼睛的位置,以捕捉虹膜的高分辨率图像,该图像随后由 Orb 进一步处理成唯一标识符。


点击此处了解我们对隐私的保护举措。


除了简洁性外,图像质量是主要关注点。我们测试了许多现成产品,但没有找到一个足够紧凑且满足成像要求的实惠镜头。因此,我们与机器视觉行业的知名专家合作,打造了一个定制镜头。


该镜头经过优化,适用于近红外光谱,并配备了集成的定制液态镜片,可由神经网络控制的毫秒级自动对焦。它与全局快门传感器配对,可捕捉高分辨率、无畸变的图像。


图 5, a) 定制远焦镜头
该远焦镜头是专为 Orb 定制设计的。其镜片经过涂层处理,以优化近红外光谱的图像捕捉效果。集成的液态镜头可实现持久的毫秒级自动对焦。液态镜头的位置由神经网络控制,以优化对焦。为了捕捉无运动模糊的图像,全局快门传感器与脉冲光照同步。
b)对比 Worldcoin Orb 与行业标准的图像质量可以发现,我们在这个领域取得了显著的进展。

摄像机和相应的脉冲红外光照得到了同步以最小化运动模糊,并抑制阳光的影响。这样,无论 Orb 位于何处,它都能创造实验室环境条件进行成像。同时,红外照明符合安全标准(例如 EN 62471:2008)。


无论有多么困难,我们从未在图像质量上妥协。就分辨率而言,Orb 的级别远超行业标准。这为实现最低误差率提供了基础,从而最大限度地提高系统的包容性。


电子元件 


进一步拆解 Orb,你会发现几个印刷电路板(PCB),包括前置 PCB,其中包含所有照明元件,用于入侵检测的安全 PCB 以及将前置 PCB 与最大的主板连接的桥接 PCB。


图 6 主板的正面 
主板的正面装有电容器,用于为脉冲近红外照明(经过认证的安全眼睛标准)提供电源。还有用于控制光学系统中液态镜头变形的驱动器。微控制器控制外围设备的精确定时。加密的 M.2 SSD 可用于存储图像以进行自愿数据保管和图像数据收集。这些图像通过服务器的公钥进行第二层不可逆加密保护,以防止在发生 Orb 被入侵的极小可能性情况下暴露数据。数据的贡献是可选的,可以随时通过应用程序请求数据删除。SIM 卡插槽可实现可选的 LTE 连接。


图 7 主板的背面
主板背面设有几个连接器,用于光学系统的活动元件。此外,GPS 模块可以精确定位 Orb,以防止欺诈行为。Wi-Fi 模块使得 Orb 具备上传虹膜代码的功能,以确保每个人只能注册一次。最后,主板上搭载了一款 Nvidia Jetson Xavier NX,可以实时运行多个神经网络,优化图像捕捉,进行本地防伪检测,并在本地计算虹膜代码,以最大程度保护隐私。


主板作为 Nvidia Jetson Xavier NX SoM 供电 Orb 的定制载板。除了 Jetson 之外,另一个主要的组件是一个 250GB 的 M.2 SSD。该 SSD 可用于缓冲图像,用于自愿数据保管和图像数据收集。图像会使用服务器的公钥进行不可逆加密,以防止在极少数情况下出现 Orb 被入侵的情况下泄露数据。数据的贡献是可选的,并且可以随时通过应用程序请求删除数据。


此外,STM32 微控制器控制着时间关键的外设、电源序列和 Jetson 的引导。Orb 配备了 Wi-Fi 6 和可选的 LTE,以实现无缝连接,并配备 GPS 模块以定位 Orb 并防止滥用。最后,12 位液态镜头驱动器可精确控制远摄镜头的焦点,精度达到 0.4 毫米。


Orb 最密集的电路板是前置电路板,主要由 LED 组成。最外层的 RGB LED 供电于「UX LED 环」。在更深处,有 79 个不同波长的近红外 LED。Orb 使用 740nm、850nm 和 940nm 的 LED 来捕捉虹膜的多光谱图像,以使唯一性算法更准确并检测欺诈行为。


图 8 前置电路板带有近红外照明 
前置电路板提供多光谱照明和防欺诈传感器。高亮度照明(经过认证的眼部安全)对于高质量的图像捕捉(如摄影棚中)是必需的。基于多光谱传感器的防欺诈算法在 Orb 上本地运行,以最大程度保护隐私。除非有人明确要求上传这些图像数据,否则不会上传任何数据。电路板边缘的圆形可见光谱 LED 提供精确的用户反馈。


前面的 PCB 板上还安装了几个多光谱成像传感器。最基本的是广角摄像头,用于控制长焦虹膜摄像头。由于我们向通过 Orb 注册的每个人赠送了一份 Worldcoin 的股份,所以欺诈的发生概率有所提高。因此,我们还添加了其他用于防止欺诈的成像传感器。


在设计防欺诈系统时,我们从第一原理推理开始:人类具有哪些可测量的特征?然后,我们尝试了许多不同的传感器,并最终把范围缩小到一个包括近红外广角摄像头、3D 飞行时间摄像头和热像摄像头的传感器组合。该系统旨在实现最大程度的隐私保护,因此基于这些传感器输入的防欺诈算法将在本地运行。除非有人明确要求备份数据以供未来升级,并同意帮助我们改进系统,否则任何图像都不会离开设备。


展望


在本文中,我们揭示并解释了 Orb 的许多关键组件,并链接到相应的工程文件。这是我们向公众展示 Worldcoin 对隐私、信任和透明度承诺的重要一步。正如一开始所述,我们致力于尽可能开源我们的技术,并最终实现项目的完全去中心化。


最新一代 Orb 的制造工作已在德国展开,并将分发给世界各地的新 Worldcoin 运营商。事实上,它们已经帮助 Worldcoin 获得了超过一百万的注册人数——这是通向全球经济普惠性的重要里程碑。


原文链接



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