Unity DOTSで音楽リアクティブ弾幕シューティングを作る

プロジェクト概要

HARMONIC BARRAGEは、Space Invaders Infinity GeneとBeat Saberにインスパイアされた、 音楽連動型弾幕シューティングゲームです。システム音声（Spotify、YouTube等）をリアルタイムキャプチャし、 FFT解析で音楽を「視覚化」して弾幕パターンを生成します。

主要スペック

• 弾幕パターン: 32種類（完全実装済み）
• パフォーマンス: 100,000弾 @ 144fps
• 技術スタック: Unity 6 + DOTS + WASAPI + NAudio
• 実装コード: 11,303行（Phase 1-3完了）

1. Unity DOTS アーキテクチャ

なぜDOTSなのか？

従来のGameObject/MonoBehaviourでは、10万弾の同時処理は不可能です。 DOTSはデータ指向設計により、CPUキャッシュを最大限活用し、 Burst Compilerで高速化、Job Systemで並列処理を実現します。

ECS コンポーネント設計

弾幕システムを構成する主要コンポーネント：

using Unity.Entities;
using Unity.Mathematics;

// 弾のコンポーネント
public struct BulletComponent : IComponentData
{
    public float3 Velocity;
    public float Speed;
    public float Size;
    public float4 Color;
    public BulletPatternType PatternType;
}

// パターン固有のデータ
public struct SpiralPatternData : IComponentData
{
    public float AngularVelocity;  // 回転速度
    public float RadialVelocity;   // 半径方向速度
    public float CurrentAngle;     // 現在の角度
}

System 実装例: スパイラルパターン

[BurstCompile]
public partial struct SpiralBulletSystem : ISystem
{
    [BurstCompile]
    public void OnUpdate(ref SystemState state)
    {
        var deltaTime = SystemAPI.Time.DeltaTime;

        foreach (var (transform, bullet, spiral) in
            SystemAPI.Query<
                RefRW<LocalTransform>,
                RefRO<BulletComponent>,
                RefRW<SpiralPatternData>>())
        {
            // 角度更新
            spiral.ValueRW.CurrentAngle +=
                spiral.ValueRO.AngularVelocity * deltaTime;

            // スパイラル軌道計算
            float radius = spiral.ValueRO.RadialVelocity * deltaTime;
            float angle = spiral.ValueRO.CurrentAngle;

            float3 spiralOffset = new float3(
                math.cos(angle) * radius,
                math.sin(angle) * radius,
                0
            );

            transform.ValueRW.Position += spiralOffset;
        }
    }
}

2. WASAPI 音楽キャプチャ

システム音声のリアルタイムキャプチャ

WASAPIループバックモードで、システム全体の音声を取得します。 これにより、Spotify、YouTube、Apple Music等、あらゆる音源に対応できます。

using NAudio.Wave;
using NAudio.Dsp;

public class WASAPIAudioCapture : MonoBehaviour
{
    private WasapiLoopbackCapture capture;
    private BufferedWaveProvider waveProvider;
    private Complex[] fftBuffer;

    void Start()
    {
        // ループバックキャプチャ開始
        capture = new WasapiLoopbackCapture();
        waveProvider = new BufferedWaveProvider(capture.WaveFormat);

        capture.DataAvailable += OnDataAvailable;
        capture.StartRecording();

        // FFTバッファ初期化（512サンプル）
        fftBuffer = new Complex[512];
    }

    private void OnDataAvailable(object sender,
                                  WaveInEventArgs e)
    {
        waveProvider.AddSamples(e.Buffer, 0, e.BytesRecorded);

        // FFT解析実行
        PerformFFT(e.Buffer, e.BytesRecorded);
    }

    private void PerformFFT(byte[] buffer, int bytesRecorded)
    {
        // バイト配列をfloat配列に変換
        float[] samples = ConvertToFloat(buffer, bytesRecorded);

        // FFT実行
        for (int i = 0; i < fftBuffer.Length; i++)
        {
            fftBuffer[i].X = (i < samples.Length)
                ? samples[i] : 0;
            fftBuffer[i].Y = 0;
        }

        FastFourierTransform.FFT(true,
            (int)Math.Log(fftBuffer.Length, 2),
            fftBuffer);

        // 周波数帯域ごとの強度を計算
        AnalyzeFrequencyBands(fftBuffer);
    }
}

周波数帯域解析

FFT結果から、Bass・Mid・Trebleの3帯域を抽出し、弾幕パターンにマッピングします。

private void AnalyzeFrequencyBands(Complex[] fftData)
{
    // 周波数帯域定義
    const int bassEnd = 20;      // 20-250Hz
    const int midEnd = 160;      // 250-4000Hz
    const int trebleEnd = 512;   // 4000-20000Hz

    float bass = 0, mid = 0, treble = 0;

    for (int i = 0; i < bassEnd; i++)
        bass += fftData[i].Magnitude;

    for (int i = bassEnd; i < midEnd; i++)
        mid += fftData[i].Magnitude;

    for (int i = midEnd; i < trebleEnd; i++)
        treble += fftData[i].Magnitude;

    // 正規化
    bass /= bassEnd;
    mid /= (midEnd - bassEnd);
    treble /= (trebleEnd - midEnd);

    // DOTSブリッジに送信
    AudioBridge.Instance.UpdateMusicData(
        new MusicData
        {
            BassIntensity = bass,
            MidIntensity = mid,
            TrebleIntensity = treble,
            BeatDetected = DetectBeat(bass)
        }
    );
}

3. 音楽→弾幕マッピング

周波数帯域と弾幕パラメータの対応

実装例: 音楽データから弾幕生成

[BurstCompile]
public partial struct MusicReactiveSpawnerSystem : ISystem
{
    public void OnUpdate(ref SystemState state)
    {
        var musicData = AudioBridge.Instance.GetMusicData();

        // Bass強度に応じて弾サイズを調整
        float bulletSize = 0.5f + musicData.BassIntensity * 1.5f;

        // Mid強度に応じてスパイラル回転速度を調整
        float angularVelocity =
            2.0f + musicData.MidIntensity * 8.0f;

        // Treble強度に応じて弾速度を調整
        float bulletSpeed =
            5.0f + musicData.TrebleIntensity * 15.0f;

        // ビート検出時に弾を生成
        if (musicData.BeatDetected)
        {
            SpawnBulletPattern(
                PatternType.Spiral,
                bulletSize,
                bulletSpeed,
                angularVelocity
            );
        }
    }
}

4. 32種類の弾幕パターン

パターン分類

実装した32パターンを5つのカテゴリに分類：

1. 基本パターン（4種）

• Linear: 直線発射
• Radial: 放射状
• Fan: 扇型
• Aimed: プレイヤー狙い

2. 幾何学パターン（5種）

• Spiral: スパイラル
• Vortex: 渦巻き
• Wave: 波動
• Elliptical: 楕円軌道
• Polygon: 多角形

3. 動的パターン（5種）

• Homing: 追尾弾
• Accelerating: 加速弾
• Decelerating: 減速弾
• Reflecting: 反射弾
• Boomerang: ブーメラン

4. 複雑パターン（6種）

• Streaming: 連続発射
• Laser: レーザー
• Random: ランダム
• Staged: 段階遷移
• Splitting: 分裂弾
• Chaining: 連鎖弾

5. 拡張パターン（12種）

• Petal, Cross, Wall, Ring, Bounce, Gravity, Snake, Orbit, Butterfly, Cascade など

5. パフォーマンス最適化

目標達成状況

最適化手法

1. Burst Compiler: SIMD命令を活用した高速化
   • 通常C#の10-20倍のパフォーマンス
   • [BurstCompile]属性で自動最適化
2. Job System: マルチスレッド並列処理
   • 弾の移動計算を全コア並列実行
   • データレース防止（Read/Write分離）
3. GPU Instancing: 描画コール削減
   • 10万弾を1ドローコールで描画
   • Entities Graphicsで自動バッチング
4. Spatial Hash: 衝突判定高速化
   • O(n²) → O(n) に削減
   • グリッドベース空間分割

6. GameObjectとDOTSのブリッジ

ハイブリッドアーキテクチャ

WASAPI（GameObject）とDOTS（ECS）を接続するブリッジパターン：

// シングルトンブリッジ
public class AudioBridge : MonoBehaviour
{
    public static AudioBridge Instance { get; private set; }

    // GameObject側からセット
    private MusicData currentMusicData;

    // DOTS側から読み取り
    public MusicData GetMusicData()
    {
        return currentMusicData;
    }

    // WASAPI側が呼び出し
    public void UpdateMusicData(MusicData data)
    {
        currentMusicData = data;
    }
}

7. 技術スタック

Unity側

• Unity 6.0 LTS
• Entities 1.4.2: ECS
• Burst 1.8.18: コンパイラ
• URP 17.0.3: レンダリング
• Entities Graphics: ECS描画

音楽解析

• WASAPI: Windows Audio API
• NAudio 2.2.1: 音声処理ライブラリ
• FFT 512バンド: 周波数解析

プラットフォーム

• Windows x64: 開発・デプロイ
• Steam: 配信プラットフォーム（予定）

8. プロジェクト構成

ディレクトリ構造

UnityProject/
├── Assets/
│   ├── Scripts/
│   │   ├── Bootstrap/
│   │   │   └── GameBootstrap.cs       # ECS初期化 (428行)
│   │   ├── ECS/
│   │   │   ├── Components/            # 13 ECS Components
│   │   │   └── Systems/
│   │   │       ├── BulletPatterns/    # 32パターン (2,654行)
│   │   │       └── Boss/              # 5ボス (2,506行)
│   │   ├── Audio/
│   │   │   ├── WASAPIAudioCapture.cs  # WASAPI (619行)
│   │   │   └── CrossPlatformAudioBridge.cs # (345行)
│   │   └── UI/                        # UI (1,711行C#)
│   ├── Editor/
│   │   └── AutoSetup/
│   │       └── GameSceneAutoSetup.cs  # 自動セットアップ (546行)
│   └── Scenes/
│       └── GameScene.unity

合計実装コード: 11,303行

まとめ

Unity DOTSとWASAPIを組み合わせることで、リアルタイム音楽解析から 弾幕パターンを生成する革新的なシューティングゲームを実現できます。

主要成果

• ✅ 32種類の弾幕パターン完全実装
• ✅ 100,000弾 @ 144fps達成
• ✅ システム音声のリアルタイムキャプチャ
• ✅ FFT解析による周波数帯域抽出
• ✅ 11,303行の実装コード

関連リンク

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