본 발명은 제임스-스테인 결합기를 이용하여 비편향 이미지와 편향 이미지를 결합하여 이미지 품질을 향상시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제임스-스테인 결합기를 이용한 이미지 품질 향상 장치는, 비편향 이미지에서 결합 픽셀 c를 중심으로 하는 비편향 이미지 블록을 출력하는 비편향 이미지 버퍼; 비편향 이미지로부터 노이즈를 제거한 편향 이미지에서 결합 픽셀 c를 중심으로 하는 편향 이미지 블록을 출력하는 편향 이미지 버퍼; 비편향 이미지의 표본 분산을 출력하는 표본 분산 버퍼; 편향 이미지 블록과 비편향 이미지 블록과 표본 분산을 학습하여 픽셀 당 분산 가중치를 도출하는 인공 신경망 모델; 픽셀 당 분산 가중치를 기반으로 비편향 이미지 블록의 분산 추정치를 출력하는 분산 추정부; 및 편향 이미지 블록과 비편향 이미지 블록과 비편향 이미지 블록의 분산 추정치를 제임스-스테인 결합식에 적용하여 국부적으로 결합하는 제임스-스테인 결합기를 포함한다.