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揭開Orb的神秘面紗：Worldcoin如何採集你的虹膜？

2023-05-19 18:45

閱讀本文需 24 分鐘

Worldcoin 發布了名為 Orb 的開源定制硬件設備，旨在通過先進的虹膜生物識別技術實現全球範圍內的代幣發放。

原文標題：《OPENING THE ORB: A look inside Worldcoin's biometric imaging device》

原文來源：Worldcoin

原文編譯：Kxp，BlockBeats

Worldcoin 將始終堅持基於隱私、信任和透明的一系列宗旨和原則。

這就是為什麼我們一直致力於盡可能開源我們創建和使用的技術。我們還希望讓其他人能夠開發、構建和運營與 World ID 協議集成的類似設備，最終的目標是實現項目各部分的完全去中心化。

在本文中，我們將分享關於我們正在構建的硬件的具體性、實質性細節。經過三年的研發，我們很高興能為大家展示 Orb、解釋它的工作原理，並發布相應的硬件工程文件。這將是我們實現對透明度的承諾並增加其在全球社區中可信度的重要一步。

在接下來的幾個月中，我們將發布更多文章，解釋 Orb 的其他部分和註冊流程。

為什麼我們需要定制硬件，以及為什麼它要掃描虹膜？

當 Worldcoin 創立時，我們並不打算開發一種物理設備，更不用說為生物特徵成像而建造一種設備了。定制硬件困難且昂貴，如果沒有必要的話，誰也不願意在這上面投入精力。相反，我們的目標是自由分發一種新的數字代幣給全世界的每個人，以幫助他們進入並參與全球經濟。只有在得出生物特徵是實現我們目標的唯一現實途徑後，我們才著手創建 Orb。

了解更多關於生物特徵的包容性以及 Worldcoin 為何使用它們的信息，請點擊這裡。

在探索解決 sybil resistance 和驗證獨特身份的許多不同方法時，我們的研究表明，虹膜掃描提供了最準確的生物特徵，並具有可接受的用戶體驗，在大規模測試中取得了成功。這是因為虹膜具有較強的防欺詐性和豐富的數據，意味著它可以準確區分數十億個獨特的人類個體。生物特徵標記（如虹膜）的數據豐富程度越高，系統就越公平和包容。

重要的是，誤拒絕的發生率不是恆定值，而是隨著數據規模的擴大而增加。最終，大多數係統都會遇到瓶頸，不允許任何新人加入。這意味著像 FaceID 這樣數據豐富度較低的現有技術只能容納幾百萬人。由於商業上可用的虹膜成像設備不能滿足我們的技術或安全需求，我們花了多年時間開發我們自己的設備，從而盡可能容納更多的人。更多細節請參閱這裡。

Orb 硬件存儲庫

作為 Orb 開放源碼的第一步，我們在存儲庫中發布了所有與硬件相關的工程文件，這其中就包括當前版本的文件。你可以下載 Eagle（PCB）來查看文件，並免費使用 Autodesk 的 CAD 查看器。我們歡迎並鼓勵大家對設計提出意見和反饋。

通過開發 Orb，我們正在推動最先進的虹膜生物特徵識別技術。這就是為什麼所有文件都是根據 MIT 許可證發布的，但我們也禁止將許可材料用於監控以及任何可能對個人權利有害的其他應用方式。

接下來，我們將對 Orb 進行拆解，並講述一些工程設計過程中發生的趣事。

Orb 拆解

經過三年的研發，包括一年的小規模現場測試和一年的大規模生產測試，我們得到了當前版本的 Orb。

今天的 Orb 在開發進度、緊湊程度、用戶體驗、成本和大規模生產之間實現了精確平衡，在圖像質量和安全性上幾乎沒有任何妥協。未來，我們可能會發布進一步優化的版本。然而，當前版本代表了一個重要的里程碑，讓我們能夠開始進行規模生產。

現在，我們將帶你了解 Orb 的一些關鍵工程細節，以及成像系統的工作原理。出於安全考慮，我們會省略掉用於捕捉系統入侵的防篡改機制部分。

移除外殼

移除外殼後，我們可以看到產品的主板、光學系統和冷卻系統。大部分光學系統隱藏在一個圍護結構中，與外殼共同起到防塵和防水的作用，以便在各種惡劣環境中實現長期使用。

你所看到的是一個經過多次原型調整和設計迭代的產品。

圖 1 外殼下的 Orb

Orb 由兩個半球組成，主板將其分隔開，主板以 23.5°的傾斜角度傾斜，這是地球的旋轉軸的傾斜角度。主板裝有強大的計算單元，以實現本地處理，以最大程度地保護隱私。 Orb 的前半部分專用於密封的光學系統。光學系統由幾個多光譜傳感器組成，用於驗證活體，並配備一個帶有二維萬向節能夠拍攝高分辨率虹膜圖像的狹縫視野攝像機。另一個半球專用於冷卻系統和揚聲器。可以從底部插入可更換電池，以實現在移動環境中的不間斷運行。

機械結構

移除了外殼之後，Orb 可以分為四個核心部分：

· 前部：光學系統

· 中部：主板將設備分為兩個半球（注意：傾斜角度正好為 23.5°，相當於地球的傾斜角度）

· 後部：主計算單元以及主動冷卻系統

· 底部：可更換電池

圖 2 所有相關組件的 Explosion CAD

去除外殼材料後（例如光學系統的防塵罩），Orb 的所有相關組件都會顯露出來。其中包括定製鏡頭，該鏡頭針對近紅外成像和快速、耐用的自動對焦進行了優化。光學系統的前部由光學濾光片密封，以防止灰塵進入並減少可見光譜的噪聲，以優化圖像質量。在背部，鍍鉻外殼中的一個塑料部件可優化天線的位置。鍍鉻外殼上覆蓋有透明外殼，以防止塗層隨時間的推移而損壞。

我們儘早在實驗室外進行了第一批原型機的現場測試。當然，這給我們帶來了許多教訓，包括：

光學系統

第一款原型機的註冊體驗極為困難。經過一年的升級改進，我們為光學系統添加了自動對焦和眼球跟踪功能。當人與 Orb 的距離在手臂長度範圍內時，對準變得更為簡單。

電池

我們試過的所有電池都無法在單次充電後維持一整天的使用時間。因此，我們基於 18650 鋰離子電池構建了一款定制可更換電池，這種電池與特斯拉 Model S 所使用的電池具有相同的形狀。該電池由 8 個 3.7V 名義電壓的電池單體組成，採用 4S2P 配置（14.8V），容量接近 100Wh，這是產品運輸相關法規所規定的極限。這樣一來，Orb 的工作時長就沒有限制了。

圖 3 定制可更換電池

Orb 的定制電池採用了 Li-Ion 18650 電池（與許多電動汽車使用的電池相同），容量接近 100Wh。該優化旨在提高電池壽命，並符合運輸規定。它採用 USB-C 連接器，便於充電。

外殼

外殼的塗層在手持使用情況下有時會出現退化。因此，我們添加了一層 2 毫米的透明外殼，既優化了外觀，又保護了鉻鍍層免受划痕和其他磨損。

UX LED

為了使用戶體驗更加直觀，特別是在嘈雜的環境中，人們可能無法聽到聲音反饋，我們添加了一個 LED 光環，以幫助指導人們完成註冊流程。類似地，我們在 Orb 上唯一的按鈕旁邊設計了一個狀態 LED，以展示其當前狀態。

光學系統的工作原理

我們的早期測試告訴我們，驗證體驗需要比我們預期的更加簡單。

為了做到這一點，我們首先嘗試了許多方法，通過使用鏡子讓人們能夠根據自己的鏡相反射對準 Orb 的成像系統。然而，這些在實驗室中表現良好的設計很快在真實世界中失效了。

最終，我們構建了一個由廣角攝像頭和長焦攝像頭組成的雙攝系統，通過一個二維萬向架可調節大約 5°的視場。這讓可以成功完成註冊的空間體積增加了幾個數量級，從每隻眼睛 20x10x5 毫米的狹小空間變成了一個大錐體。

圖 4 遠攝鏡頭和二維萬向架

Orb 的主要成像系統由遠攝鏡頭和 2D 萬向鏡系統、全局快門相機傳感器以及光學濾鏡組成。移動鏡片使相機系統的視野增加了兩個數量級以上。光學單元由黑色可見光譜濾光片密封，將高精度光學部件與塵埃隔離，並僅傳輸近紅外光。圖像捕捉過程由多個神經網絡控制。

廣角攝像頭捕捉場景，並通過神經網絡預測雙眼的位置。通過幾何推斷，我們將遠攝相機的視野導向眼睛的位置，以捕捉虹膜的高分辨率圖像，該圖像隨後由 Orb 進一步處理成唯一標識符。

點擊此處了解我們對隱私的保護舉措。

除了簡潔性外，圖像質量是主要關注點。我們測試了許多現成產品，但沒有找到一個足夠緊湊且滿足成像要求的實惠鏡頭。因此，我們與機器視覺行業的知名專家合作，打造了一個定製鏡頭。

該鏡頭經過優化，適用於近紅外光譜，並配備了集成的定制液態鏡片，可由神經網絡控制的毫秒級自動對焦。它與全局快門傳感器配對，可捕捉高分辨率、無畸變的圖像。

圖 5, a）定制遠焦鏡頭

該遠焦鏡頭是專為 Orb 定制設計的。其鏡片經過塗層處理，以優化近紅外光譜的圖像捕捉效果。集成的液態鏡頭可實現持久的毫秒級自動對焦。液態鏡頭的位置由神經網絡控制，以優化對焦。為了捕捉無運動模糊的圖像，全局快門傳感器與脈衝光照同步。

b）對比 Worldcoin Orb 與行業標準的圖像質量可以發現，我們在這個領域取得了顯著的進展。

攝像機和相應的脈衝紅外光照得到了同步以最小化運動模糊，並抑制陽光的影響。這樣，無論 Orb 位於何處，它都能創造實驗室環境條件進行成像。同時，紅外照明符合安全標準（例如 EN 62471:2008）。

無論有多麼困難，我們從未在圖像質量上妥協。就分辨率而言，Orb 的級別遠超行業標準。這為實現最低誤差率提供了基礎，從而最大限度地提高系統的包容性。

電子元件

進一步拆解 Orb，你會發現幾個印刷電路板（PCB），包括前置 PCB，其中包含所有照明元件，用於入侵檢測的安全 PCB 以及將前置 PCB 與最大的主板連接的橋接 PCB。

圖 6 主板的正面

主板的正面裝有電容器，用於為脈衝近紅外照明（經過認證的安全眼睛標準）提供電源。還有用於控制光學系統中液態鏡頭變形的驅動器。微控制器控制外圍設備的精確定時。加密的 M.2 SSD 可用於存儲圖像以進行自願數據保管和圖像數據收集。這些圖像通過服務器的公鑰進行第二層不可逆加密保護，以防止在發生 Orb 被入侵的極小可能性情況下暴露數據。數據的貢獻是可選的，可以隨時通過應用程序請求數據刪除。 SIM 卡插槽可實現可選的 LTE 連接。

圖 7 主板的背面

主板背面設有幾個連接器，用於光學系統的活動元件。此外，GPS 模塊可以精確定位 Orb，以防止欺詐行為。 Wi-Fi 模塊使得 Orb 具備上傳虹膜代碼的功能，以確保每個人只能註冊一次。最後，主板上搭載了一款 Nvidia Jetson Xavier NX，可以實時運行多個神經網絡，優化圖像捕捉，進行本地防偽檢測，並在本地計算虹膜代碼，以最大程度保護隱私。

主板作為 Nvidia Jetson Xavier NX SoM 供電 Orb 的定制載板。除了 Jetson 之外，另一個主要的組件是一個 250GB 的 M.2 SSD。該 SSD 可用於緩衝圖像，用於自願數據保管和圖像數據收集。圖像會使用服務器的公鑰進行不可逆加密，以防止在極少數情況下出現 Orb 被入侵的情況下泄露數據。數據的貢獻是可選的，並且可以隨時通過應用程序請求刪除數據。

此外，STM32 微控制器控制著時間關鍵的外設、電源序列和 Jetson 的引導。 Orb 配備了 Wi-Fi 6 和可選的 LTE，以實現無縫連接，並配備 GPS 模塊以定位 Orb 並防止濫用。最後，12 位液態鏡頭驅動器可精確控制遠攝鏡頭的焦點，精度達到 0.4 毫米。

Orb 最密集的電路板是前置電路板，主要由 LED 組成。最外層的 RGB LED 供電於「UX LED 環」。在更深處，有 79 個不同波長的近紅外 LED。 Orb 使用 740nm、850nm 和 940nm 的 LED 來捕捉虹膜的多光譜圖像，以使唯一性算法更準確並檢測欺詐行為。

圖 8 前置電路板帶有近紅外照明

前置電路板提供多光譜照明和防欺詐傳感器。高亮度照明（經過認證的眼部安全）對於高質量的圖像捕捉（如攝影棚中）是必需的。基於多光譜傳感器的防欺詐算法在 Orb 上本地運行，以最大程度保護隱私。除非有人明確要求上傳這些圖像數據，否則不會上傳任何數據。電路板邊緣的圓形可見光譜 LED 提供精確的用戶反饋。

前面的 PCB 板上還安裝了幾個多光譜成像傳感器。最基本的是廣角攝像頭，用於控制長焦虹膜攝像頭。由於我們向通過 Orb 註冊的每個人贈送了一份 Worldcoin 的股份，所以欺詐的發生概率有所提高。因此，我們還添加了其他用於防止欺詐的成像傳感器。

在設計防欺詐系統時，我們從第一原理推理開始：人類具有哪些可測量的特徵？然後，我們嘗試了許多不同的傳感器，並最終把範圍縮小到一個包括近紅外廣角攝像頭、3D 飛行時間攝像頭和熱像攝像頭的傳感器組合。該系統旨在實現最大程度的隱私保護，因此基於這些傳感器輸入的防欺詐算法將在本地運行。除非有人明確要求備份數據以供未來升級，並同意幫助我們改進系統，否則任何圖像都不會離開設備。