Barrapunto

Esto no lo entiendo. Si la señal se convierte de digital a analógica y luego a digital... ¿se mantendría esa información oculta? ¿Bit por bit?

SÍ !!
Ejemplo burdo (para que se comprenda más fácilmente): metes unos pitidos en código Morse (o un código digital donde la existencia de pitido signifique 1 y la ausencia 0)... Aunque lo pases a analógico los pitidos siguen, estan ahí...
El caso es que existen ciertas frecuencias bien conocidas donde el oido no puede discernir si existe pitido o no o, al menos, no nota la potencia tan bien como en otras frecuencias.
Si es en estas freuencias donde metemos las marcas de agua conseguiremos el doble objetivo: que no se note que están ahí y que además no se eliminen fácilmente...

¿Y ocurre lo mismo con la compresión mp3? ¿Qué pasa si el compresor filtra esa información al no ser audible?

En el caso de MP3, la cosa se complica mucho más porque apenas quedan resquicios donde meter información no audible... Precisamente este formato se basa en la psicoacústica y la codificación subbanda: la señal de audio se codifica como diversas señales en distintas bandas de frecuencias de forma que en unas bandas se usan más bits para las muestras digitales (aquellas subbandas en las el oido es más sensible) y en otras se usan menos (aquellas en las que es menos sensible). Así se hace un compromiso muy bueno entre calidad oída y cantidad de bits.
Sin embargo, el MP3 no comprime al máximo que podría comprimir. Sigue quedando en la información resultante una pequeña parte que apenas capta el oído. La psicoacústica no es algo tan simple de describir como unas bandas que son mejor percibidas que otras sino que hay otros efectos como, por ejemplo, que la presencia de sonido en un banda enmascare la información de otra, etc... Si hay un sonido en una determinada banda y en especial si este sonido es de gran potencia, la percepción de las bandas adyacentes (hasta llegar hasta lo que se conoce como banda crítica) disminuye en gran medida.
Por tanto, supongo que para hacer marcas de agua que se mantengan al pasar a MP3 lo que habría que hacer es colocar sonidos codificados en bandas cercanas a las que va usando la canción. Sería como hacer una canción paralela a la original... Por ejemplo, el algoritmo sería: en cada segmento de canción, busca la banda de mayor potencia y modifica la banda inmediatamente inferior (o superior, habría que elegir una banda cercana) de forma que en los bits menos significativos se introduzca el mensaje oculto.

El formato de codificación usado en GSM también usa subbandas y seguramente algo de psicoacústica pero está pensado sólo para la voz... Es posible que las marcas no permaneciesen al pasar a este formato pero tampoco se grabaría música de calidad, claro.